El agua pura es un aislante casi perfecto.
Sí, el agua que se encuentra en la naturaleza conduce electricidad, pero eso se debe a las impurezas que contiene, que se disuelven en iones libres que permiten que fluya la corriente eléctrica. El agua pura sólo se vuelve “metálica” (electrónicamente conductora) a presiones extremadamente altas, más allá de nuestra capacidad actual de producirla en un laboratorio.
Pero, como demostraron los investigadores por primera vez en 2021, no son sólo las altas presiones las que pueden inducir esta metalicidad en el agua pura.
Al poner agua pura en contacto con un metal alcalino que comparte electrones (en este caso una aleación de sodio y potasio), se pueden agregar partículas cargadas que se mueven libremente, convirtiendo el agua en metal.
La conductividad resultante sólo dura unos segundos, pero es un paso importante para poder comprender esta fase del agua estudiándola directamente.
“¡A simple vista se puede ver la transición de fase al agua metálica!” el físico Robert Seidel del Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie en Alemania explicado en 2021 cuando se publicó la investigación.
“La gota plateada de sodio y potasio se cubre con un brillo dorado que es muy impresionante”.
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Bajo presiones suficientemente altas, prácticamente cualquier material podría, en teoría, volverse conductor.
La idea es que si aprietas los átomos lo suficientemente fuerte, los orbitales de los electrones externos comenzarían a superponerse, permitiéndoles moverse. En el caso del agua, esta presión es de unos 48 megabares, poco menos de 48 millones de veces la presión atmosférica de la Tierra al nivel del mar.
Si bien en el laboratorio se han generado presiones superiores a ésta, tales experimentos no serían adecuados para estudiar el agua metálica. Entonces, un equipo de investigadores dirigido por el químico orgánico Pavel Jungwirth de la Academia Checa de Ciencias en Chequia recurrió a los metales alcalinos.
Estas sustancias liberan sus electrones externos muy fácilmente, lo que significa que podrían inducir las propiedades de intercambio de electrones del agua pura altamente presurizada sin altas presiones.
Sólo hay un problema: los metales alcalinos son muy reactivos con el agua líquida, a veces incluso hasta el punto de explotar (hay una video realmente genial a continuación
Deja caer el metal en agua y obtendrás un kaboom.
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El equipo de investigación encontró una manera muy ingeniosa de resolver este problema. ¿Qué pasaría si, en lugar de agregar el metal al agua, se agregara agua al metal?
En una cámara de vacío, el equipo comenzó extruyendo de una boquilla una pequeña gota de aleación de sodio y potasio, que es líquida a temperatura ambiente, y con mucho cuidado añadió una fina película de agua pura mediante deposición de vapor.
Al entrar en contacto, los electrones y los cationes metálicos (iones cargados positivamente) fluyeron hacia el agua desde la aleación.
Esto no sólo le dio al agua un brillo dorado, sino que la volvió conductora, tal como deberíamos ver en el agua pura metálica a alta presión.
Esto se confirmó mediante espectroscopia de reflexión óptica y espectroscopia de fotoelectrones de rayos X sincrotrón.
Las dos propiedades (el brillo dorado y la banda conductora) ocupaban dos rangos de frecuencia diferentes, lo que permitió identificarlas claramente.
Además de brindarnos una mejor comprensión de esta transición de fase aquí en la Tierra, la investigación también podría permitir un estudio detallado de las condiciones de presión extrema dentro de los planetas grandes.
En los planetas helados del Sistema Solar, Neptuno y Urano, por ejemplo, se cree que el hidrógeno metálico líquido gira en remolinos. Y se cree que sólo en Júpiter las presiones son lo suficientemente altas como para metalizar agua pura.
La perspectiva de poder replicar las condiciones dentro del coloso planetario de nuestro Sistema Solar es realmente emocionante.
“Nuestro estudio no sólo muestra que es posible producir agua metálica en la Tierra, sino que también caracteriza las propiedades espectroscópicas asociadas con su hermoso brillo metálico dorado”, Seidel dijo.
La investigación fue publicada en Naturaleza.
Una versión anterior de este artículo se publicó en julio de 2021.