El amoniaco a presión atmosférica es un gas a cualquier temperatura por encima de los -33ºC. Se ha detectado en el espacio interestelar y como componente de los llamados planetas gaseosos, como Júpiter, Neptuno o Urano. Un artículo publicado en 2012 [1] por un equipo de investigadores encabezado por Sandra Ninet, de la Universidad Pierre y Marie Curie (Francia), afirmaba que a altas presiones y temperaturas, como en el interior de estos planetas, el amoniaco se vuelve ¡superiónico!, formando un “hielo caliente”, a la vez sólido cristalino y líquido. Ahora estos mismos investigadores han comprobado que a temperaturas bajas y altas presiones el amoniaco presenta no una, sino dos estructuras cristalinas diferentes. Los resultados aparecen en un artículo subido a arXiv [2].

Si bajamos la temperatura por debajo del punto de fusión del amoniaco (-77ºC) a presión atmosférica éste forma un cristal molecular típico, cúbico primitivo, con débiles enlaces de hidrógeno, al estilo del hielo de agua. Pero en cuanto intervienen presiones muy altas el comportamiento empieza a ser anómalo hasta la paradoja. Ninet et al. demostraron que por encima de 750K y más de 60GPa (véase el diagrama de fases) aparece una fase superiónica compuesta por NH₃, NH₄⁺ y NH₂^– que se comporta simultáneamente como cristal sólido y líquido.

En 2008 unas simulaciones teóricas indicaron que a bajas temperaturas y altas presiones el amoniaco podría existir en una fase que contuviese capas alternas de iones NH₄⁺ y NH₂^–. El equipo de Ninet ha encontrado ahora pruebas de que esto es casi así. Para ello emplearon un yunque de diamante para llevar el amoniaco, a temperatura ambiente, hasta los 194 Gpa, un millón y medio de veces la presión atmosférica.

Por encima de 150GPa se observan cambios drásticos en los espectros Raman e infrarrojo, indiciarios de presencia de NH₄⁺ , lo que apuntaría a que hay un cambio de fase. Sin embargo los espectros concuerdan sólo parcialmente con las predicciones teóricas, ya que no cuadran las estructuras cristalinas. Cálculos posteriores, que incluían los nuevos resultados experimentales, y la difracción de rayos X han permitido llegar a la conclusión de que existen dos formas cristalinas, una pseudo hexagonal compacta (ABA, en la imagen) y una cúbica centrada en las caras (ABC).

Estos resultados ponen de manifiesto los comportamientos tan diferentes que pueden llegar a tener en condiciones extremas moléculas, como el amoniaco y el agua, que podríamos pensar que deberían parecerse mucho más. Por otra parte son muy interesantes para comprender mejor la dinámica interna de los planetas gaseosos. En este sentido será interesante extender estos estudios a las mezclas amoniaco/agua y amoniaco/metano.

Referencias:

[1] Ninet S., Datchi F. & Saitta A.M. (2012). Proton Disorder and Superionicity in Hot Dense Ammonia Ice, Physical Review Letters, 108 (16) DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.165702

[2] S. Ninet, F. Datchi, P. Dumas, M. Mezouar, G. Garbarino, A. Mafety, C. J. Pickard, R. J. Needs & A. M. Saitta (2014). Ionic ammonia ice, arXiv: 1401.1419v1

Esta entrada es una participación de Experientia docet en el  II Festival de la Cristalografía que organiza Experientia docet, en la XXXI Edición del Carnaval de Química que acoge ::ZTFNews y en La XLVIII Edición del Carnaval de la Física que alberga La Aventura de la Ciencia