En los artículos anteriores, y en referencia al estudio de la Gran Roca Metálica denominada Veas-01, hemos revisado brevemente modelos que simulan las posibles estructuras cristalinas adoptadas por átomos de Fe cuando éstos han sido sometidos a alta temperatura y presión.
En efecto, en el artículo sobre la Hexagonal Close-Packed para el Fe, se mencionaban modelos que postulaban temperaturas del orden de 7000 ºK y presiones variables entre 100 y 350 GPa.
Nuestros últimos comentarios en este Blog han sido dirigidos a pensar en diferentes Radios Iónicos para los átomos de Fe presentes en una estructura formada a alta presión, diferenciándose totalmente de los átomos de Fe formados a presión ambiental, dificultando entonces la interpretación de los patrones de difracción observados con el TEM (sin considerar los efectos magnéticos de las muestras). Ahora bien, si los Radios Iónicos para los átomos de Fe están alterados, son distintos entre sí, y a su vez, diferentes al Radio Atómico Calculado de 1.56 Angstroms, es probable también que la densidad electrónica de un estado electrónico parcialmente ocupado, responsable de la conductividad, también está alterado. En definitiva, este grado de alteración y de desorden de la “nube electrónica” puede ser responsable del rechazo de zonas a los electrones de 200 keV provenientes del filamento de tungsteno del TEM, pues el enlace metálico implica que los electrones no están fuertemente ligados a los núcleos atómicos del material correspondiente.
Lo anterior, por otro lado, lleva a pensar que probablemente el metal que constituye Veas-01 sufrió una fuerte y violenta explosión, además de las altas presiones y temperaturas implicadas en su formación. Esto promueve el planteamiento de dos hechos quizá sucedidos para con Veas-01: (1) primero la formación de una estructura cristalina, para los átomos de Fe, generada a una alta temperatura y presión, y (2) una fuerte explosión o estallido de la matriz metálica creó una brusca disminución de la presión y de la temperatura, alterando quizá no sólo la estructura cristalina sino también la conductividad eléctrica y iónica del material, por alteración de la densidad electrónica.
Por ello, imaginémonos las condiciones extremas existentes en el interior de un planeta de grandes dimensiones, en el que escogemos investigar un compuesto, menos denso que el Fe, existente en un planeta también menos denso que el planeta Tierra, como lo es Neptuno. Podemos entonces preguntarnos:
1.- ¿qué sucedería si sometiésemos a altas presiones y temperaturas a un compuesto formado sólo por átomos de H y O, como el agua?.
2.- ¿podríamos pensar que el agua pueda volverse magnética y conductora como un metal, y por tanto suponer, que esta “Agua Metálica” formada a Alta Temperatura y Presión sea responsable, en parte, del Magnetismo de un planeta como Neptuno?.
3.- ¿Implicará, la creación de esta “Agua Metálica” conductora, un proceso de tipo “explosivo” o brusco, donde la presión y la temperatura descienden rápidamente?.
Las respuestas a estas interesantes interrogantes fueron propuestas por los científicos Thomas Mattsson y Mike Desjarlais, ambos investigadores del Laboratorio Sandia, dependiente del National Nuclear Security Administration.
Sandia Laboratory está bajo la dirección de Sandia Corporation, la cual es una empresa Lockheed Martin, operando para el U.S. Department of Energy’s National Nuclear Security Administration. Sandia centra sus objetivos en Investigación y Desarrollo en Seguridad Nacional, y Tecnologías Energéticas y Ambientales.
El “Agua Metálica” bajo Condiciones Extremas
Los investigadores ya mencionados, Thomas Mattsson y Mike Desjarlais, usando supersimuladores han significativamente alterado el diagrama teórico universalmente utilizado por los científicos para entender las características del Agua sometida a presión y temperatura extremas. Por otro lado, este nuevo modelo computacional ha ampliado la comprensión sobre la conductividad eléctrica del agua.
El trabajo teórico llevado a cabo por el Laboratorio Sandia mostró que la fase límite para obtener la fase denominada Agua Metálica, en la cual los electrones del agua pueden migrar como en un metal, se logra al disminuir la temperatura de 7000 a 4000ºK, y la presión desde 250 GPa al valor de 100 GPa.
Recordemos que una fase límite describe las condiciones a la cual un material cambia de estado. Para el caso del agua, que en su estado puro, es un aislador eléctrico, bajo estas condiciones de disminución de T y P, el agua se vuelve un conductor.
Este nueva condición ha determinado que deben revisarse los cálculos de los astrónomos en orden a evaluar la fuerza de los núcleos magnéticos de planetas gaseosos gigantes como lo es Neptuno. Debido a que las presiones y temperaturas de los planetas “caen” parcialmente en el “sector revisado”, el agua electricamente conductora probablemente contribuye a su campo magnético, que antes se pensaba era generado sólo por el núcleo del planeta.
Estos cálculos concuerdan con los resultados experimentales en investigaciones llevadas a cabo por el Dr. Peter Celliers del Lawrence Livermore National Laboratory.
Mattsson y Desjarlais, quienes participan en la implementación de poderoso acelerador de Sandia conocido como Z (que comenzará a funcionar hacia julio de 2007), deseaban tener un mejor entendimiento del agua bajo condiciones extremas. Ellos encontraron que el diagrama de fase estándar del agua quedaba “fuera de rango” cuando “corrían” el programa de simulación molecular cuántico en el supercomputador Thunderbird de Sandia, el cual incluía electrones “calientes” en lugar de los “frios no realísticos”.
El modelo molecular conocido como VASP, basado en la Teoría Funcional de Densidad (DFT), había sido escrito en Austria. Desjarlais extendió VASP para modelar la conductividad eléctrica en tanto Mattsson desarrolló un modelo para la conductividad iónica basada en los cálculos de la Difusión de Hidrógeno. Una descripción rigurosa del agua requiere un tratamiento combinado entre conductividad electrónica y iónica.
Para la adaptación del modelo VASP a lo que Sandia necesitaba, se basaron en los trabajos preliminares de medición de la conductividad en “alambres sometidos a explosión”, desarrollados por Alan DeSilva, de la Universidad de Maryland. DeSilva encontró una considerable disparidad entre sus datos y los modelos teóricos de materiales en la región del espacio de fase conocida como “materia densa caliente”. Los cálculos de conductividad desarrollados por el nuevo VASP de Desjarlais resolvieron inmediatamente esta discrepancia.
La estructura electricamente conductora del Agua Metálica sucede en una parte más accesible del diagrama de fase del agua, de lo que anteriormente se suponía. En la imagen de arriba se observa una instantánea de una simulación de primeros principios demostrando el desorden atómico de la misma. Las esferas rojas son los átomos de Hidrógeno, las esferas blancas son los átomos de Oxígeno, en tanto la densidad electrónica del estado del electrón parcialmente ocupado, responsable de la conductividad, se muestra en dorado.
Este trabajo de las fases del agua fue inicialmente publicado el 7 de julio de 2006 en la Physical Review Letters en tanto resultados fueron expuestos en 12th International Workshop de Fisica de Plasmas No-Ideales, que se llevó a cabo en Darmstadt, Alemania.
