Rompiendo los enlaces químicos más fuertes con compresión de choque láser

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) obtuvieron recientemente datos termodinámicos de alta precisión sobre nitrógeno cálido y denso en condiciones extremas que podrían conducir a una mejor comprensión del interior de los objetos celestes como las enanas blancas y los exoplanetas.

El equipo, que incluye investigadores de la Universidad de California, Berkeley y la Universidad de Rochester, utilizó una técnica avanzada que combina la compresión previa en una celda de yunque de diamante y la compresión de choque impulsada por láser en el Omega Laser Facility de la Universidad de Rochester. .

Moléculas de nitrógeno (N₂) componen el 78% del aire que respiramos. Son únicos porque los dos átomos de nitrógeno en N₂ están unidos con un enlace covalente triple, que es el más fuerte de todas las moléculas diatómicas simples. El nitrógeno también es un componente importante de los cuerpos celestes en el sistema solar exterior y más allá. Por ejemplo, amoníaco (NH₃) se cree que existen tormentas en planetas gigantes como Júpiter, mientras que el planeta enano Plutón, la luna helada Titán de Saturno y la luna helada Tritón de Neptuno tienen N₂-Ambientes ricos.

Estudios previos con esta poderosa técnica revelaron evidencia experimental de hielo de agua superiónico y lluvia de helio en planetas gigantes gaseosos. En la nueva investigación, el equipo realizó experimentos de choque en fluido de nitrógeno molecular precomprimido hasta 800 GPa (~ 8 millones de atmósferas) de presión.

Observaron firmas claras para la finalización de la disociación molecular cerca de 70 a 100 GPa y 5 a 10 kK (miles de Kelvin) y el inicio de la ionización de los electrones más externos por encima de 400 GPa y 50 kK.

«Es muy emocionante que podamos usar ondas de choque para romper estas moléculas y comprender cómo la presión y la densidad inducen cambios en los enlaces químicos», dijo el físico del LLNL Yong-Jae Kim, autor principal de un artículo que aparece en Cartas de revisión física. «Estudiar cómo romper moléculas de nitrógeno y cómo liberar electrones es una gran prueba para las simulaciones por computadora y modelos teóricos más avanzados».

El equipo también teorizó que el estudio del nitrógeno podría ayudar a descifrar algunos de los misterios relacionados con el comportamiento de las moléculas de hidrógeno en la etapa inicial de las implosiones de fusión por confinamiento inercial en la Instalación Nacional de Ignición.

«Si bien el nitrógeno y el hidrógeno son moléculas diatómicas ligeras, los átomos de hidrógeno son tan pequeños que reproducir su comportamiento bajo presión y temperatura extremas con simulaciones por computadora es muy complejo», dijo Kim.

El equipo analizó más de cerca la comparación entre los datos experimentales en la nueva investigación y las curvas de presión-densidad simuladas correspondientes a partir de diferentes densidades iniciales. La comparación brindó mayor confianza en la capacidad de las simulaciones por computadora que utilizan la técnica de dinámica molecular de la teoría funcional de la densidad (DFT) para capturar con precisión los cambios sutiles de la física cuántica en las propiedades del material en estas condiciones previamente no documentadas. En particular, los nuevos datos resolvieron una desconcertante discrepancia entre los experimentos anteriores sobre nitrógeno cálido y denso y las predicciones basadas en los resultados de las simulaciones DFT.

«Demostramos que la teoría funcional de la densidad funciona muy bien para describir nuestros experimentos. Esta es una prueba muy estricta y útil», dijo Kim.

La investigación es parte de un proyecto de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD) para desarrollar nuevas técnicas experimentales de compresión dinámica impulsadas por láser con objetivos de celda de yunque de diamante (DAC). Estas técnicas podrían desentrañar nuevos fenómenos físicos y químicos en mezclas de bajo número atómico, como las ricas en agua, en una amplia gama de condiciones de presión, temperatura y densidad sin precedentes. La investigación tiene implicaciones para la formación y evolución de los planetas y proporciona información sobre las propiedades de la materia en condiciones extremas.

En particular, Kim ahora está liderando experimentos para desarrollar el uso de objetivos DAC en la Instalación Nacional de Ignición. Esto podría ayudar a estudiar más a fondo el nitrógeno y desentrañar nuevos fenómenos exóticos a temperaturas mucho más bajas, vinculados a la observación de la década de 1980 del enfriamiento inducido por choque y la predicción de la década de 2010 de una transición de primer orden entre los fluidos de nitrógeno molecular y polimérico por debajo de 2000 K.

«Hay muchas más cosas que podemos aprender de este tipo de experimentos de compresión dinámica con láser», dijo Marius Millot, investigador principal del proyecto LDRD del LLNL y autor principal del artículo. «Este es un campo muy emocionante con múltiples oportunidades para desarrollar medidas innovadoras y desentrañar la respuesta de la materia a condiciones extremas. Esto es clave para interpretar las observaciones astronómicas y comprender mejor la formación y evolución de los objetos celestes, como las enanas blancas y los exoplanetas».