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Nuevas fases de agua detectadas

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Crédito: Pixabay/CC0 Dominio público

Científicos de la Universidad de Cambridge han descubierto que el agua en una capa de una sola molécula no actúa como líquido ni como sólido y se vuelve altamente conductora a altas presiones.


Se sabe mucho sobre el comportamiento del «agua a granel»: se expande cuando se congela y tiene un alto punto de ebullición. Pero cuando el agua se comprime a nanoescala, sus propiedades cambian drásticamente.

Al desarrollar una nueva forma de predecir este comportamiento inusual con una precisión sin precedentes, los investigadores detectaron varias fases nuevas del agua a nivel molecular.

El agua atrapada entre membranas o en diminutas cavidades a nanoescala es común: se puede encontrar en todo, desde las membranas de nuestro cuerpo hasta formaciones geológicas. Pero esta agua nanoconfinada se comporta de manera muy diferente al agua que bebemos.

Hasta ahora, los desafíos de caracterizar experimentalmente las fases del agua a nanoescala han impedido una comprensión completa de su comportamiento. Pero en un artículo publicado en la revista La naturalezael equipo dirigido por Cambridge describe cómo han utilizado los avances en enfoques computacionales para predecir el diagrama de fase de una capa de agua del espesor de una molécula con una precisión sin precedentes.

Utilizaron una combinación de enfoques computacionales para permitir el estudio a nivel de primeros principios de una sola capa de agua.

Los investigadores encontraron que el agua que está confinada en una capa de un peso molecular pasa por varias fases, incluida una fase «hexática» y una fase «superiónica». En la fase hexática, el agua no actúa ni como sólido ni como líquido, sino como algo intermedio. En la fase superiónica, que ocurre a presiones más altas, el agua se vuelve altamente conductora, impulsando rápidamente protones a través del hielo de una manera similar al flujo de electrones en un conductor.

Simulación de los primeros principios de la fase hexática, correspondiente al punto de estado 1.00 GPa y 340 K, en presencia de átomos de carbono explícitos al nivel de la teoría revPBE0-D3. Crédito: La naturaleza (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05036-x

Comprender el comportamiento del agua a nanoescala es esencial para muchas tecnologías nuevas. El éxito de los tratamientos médicos puede depender de la reacción del agua atrapada en las pequeñas cavidades de nuestro cuerpo. El desarrollo de electrolitos altamente conductores para baterías, desalinización de agua y transporte de fluidos sin fricción depende de la predicción del comportamiento del agua confinada.

Simulación de los primeros principios de la fase superiónica, correspondiente al punto de estado 4.00 GPa y 600 K, en presencia de átomos de carbono explícitos al nivel de la teoría revPBE0-D3. Mientras observamos la disociación en una escala de tiempo de 10 ps, ​​no vemos reactividad del protón con los átomos de carbono. Crédito: La naturaleza (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05036-x

«Para todas estas áreas, comprender el comportamiento del agua es la cuestión fundamental», dijo el Dr. Venkat Kapil del Departamento de Química Yusuf Hamied en Cambridge, primer autor del artículo. «Nuestro enfoque permite el estudio de una sola capa de agua en un canal similar al grafeno con una precisión predictiva sin precedentes».

Los investigadores encontraron que la única molécula capa gruesa de agua en el nanocanal mostró un comportamiento de fase rico y diverso. Su enfoque predice varias fases que incluyen la fase hexática – un intermedio entre un sólido y un líquido – y también una fase superiónica, en la que el agua tiene una alta conductividad eléctrica.

«La fase hexática no es ni sólida ni líquida, sino intermedia, lo que está de acuerdo con teorías anteriores sobre materiales bidimensionales», dijo Kapil. “Nuestro enfoque también sugiere que esta fase se puede observar experimentalmente al confinar el agua en un canal de grafeno.

«La existencia de la fase superiónica en condiciones de fácil acceso es especial, porque esta fase generalmente se encuentra en condiciones extremas como el núcleo de Urano y Neptuno. Una forma de visualizar esta fase es que el átomos de oxígeno forman una red sólida, y los protones fluyen como un líquido a través de la red, como niños corriendo por un laberinto».

Los investigadores dicen que esta fase superiónica podría ser importante para futuros electrolitos y materiales de batería, ya que tiene una conductividad eléctrica de 100 a 1000 veces mayor que los materiales de batería actuales.

Los resultados no solo ayudarán a entender cómo el agua funciona a nanoescala, pero también sugiere que el «nanoconfinamiento» podría ser una nueva forma de encontrar el comportamiento superiónico de otros materiales.


Predicción de una nueva fase de hielo superiónico


Más información:
Angelos Michaelides, Diagrama de fase de los primeros principios del agua monocapa nanoconfinada, La naturaleza (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05036-x. www.nature.com/articles/s41586-022-05036-x

Proporcionado por
Universidad de Cambridge

Cotizar: Nuevas fases de agua detectadas (14 de septiembre de 2022) Obtenido el 14 de septiembre de 2022 de https://phys.org/news/2022-09-phases.html

Este documento está sujeto a derechos de autor. Excepto para el uso justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente a título informativo.

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Space Machines Company se asocia con Anywaves

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Antena de banda S Anywaves. Crédito: Anywaves

Edimburgo, 6 de octubre de 2022. – La empresa australiana de logística y transporte espacial Space Machines Company (SMC) se asoció con el fabricante de equipos de antena Anywaves para respaldar su primera misión en el segundo trimestre de 2023, dijo SMC.

SMC eligió a SpaceX como proveedor de lanzamiento para su misión Roll Out. Mientras tanto, SMC probará la capacidad de su vehículo de transferencia orbital (OTV) Optimus de 270 kg. La OTV proporcionará servicios de logística en el espacio y mejorará las capacidades de proveedor de servicios de última milla de la empresa. La demostración también será una oportunidad para que SMC obtenga soluciones de calificación y prueba de vuelo para varias cargas útiles y clientes.

El Optimus OTV es una de las naves espaciales comerciales más grandes diseñadas, fabricadas y ensambladas en Australia, según SMC.

Las antenas de telemetría, seguimiento y control (TT&C) de banda S de Anywaves permitirán a SMC proporcionar comunicaciones con estaciones terrestres. Las antenas aseguran que la conexión se mantenga incluso durante las fases críticas de la misión. También protegen el enlace descendente de telemetría esencial al tiempo que proporcionan autoridad de mando sobre la nave espacial.

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Los valles antiguos pueden mostrar cómo los casquetes polares responderán al cambio climático: NPR

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Una vista aérea de los icebergs y la capa de hielo cerca de Pituffik, Groenlandia.

Kerem Yucel/AFP vía Getty Images


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Kerem Yucel/AFP vía Getty Images

Una vista aérea de los icebergs y la capa de hielo cerca de Pituffik, Groenlandia.

Kerem Yucel/AFP vía Getty Images

Durante las edades de hielo de la Tierra, gran parte de América del Norte y el norte de Europa estaban cubiertos por enormes glaciares.

Hace unos 20.000 años, estos casquetes polares comenzaron a derretirse rápidamente y el agua resultante tuvo que ir a alguna parte, a menudo debajo de los glaciares. Con el tiempo, se formaron enormes valles bajo el hielo para drenar el agua del hielo.

Un nuevo estudio sobre cómo se derritieron los glaciares después de la última edad de hielo podría ayudar a los investigadores a comprender mejor cómo podrían reaccionar los casquetes polares actuales al calor extremo resultante del cambio climático, dicen los autores del estudio.

El estudio publicado esta semana en Revisiones de Ciencias del Cuaternarioayudó a aclarar cómo, y con qué rapidez, se formaron estos canales.

«Nuestros resultados muestran, por primera vez, que el mecanismo más importante es probablemente el derretimiento del verano en la superficie del hielo, que llega al lecho a través de grietas o conductos similares a chimeneas y luego fluye bajo la presión de la capa de hielo para cortar el hielo». canales”, dijo Kelly Hogan, coautora y geofísica del British Antarctic Survey.

Investigadores han descubierto miles de valles bajo el Mar del Norte

Al analizar los datos de reflexión sísmica en 3D recopilados originalmente como parte de las evaluaciones de riesgo para las compañías de petróleo y gas, los investigadores han descubierto miles de valles en el Mar del Norte. Estos valles, algunos de los cuales datan de hace millones de años, ahora están profundamente enterrados bajo el lodo del lecho marino.

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Algunos de los canales eran enormes, tan grandes como 90 millas de ancho y tres millas de ancho («varias veces más grandes que el lago Ness», el grupo de investigación con sede en el Reino Unido anotó).

Un modelo digital de un canal masivo que transportaba agua de deshielo lejos de los antiguos glaciares.

James Kirkham/Servicio Antártico Británico


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James Kirkham/Servicio Antártico Británico

Un modelo digital de un canal masivo que transportaba agua de deshielo lejos de los antiguos glaciares.

James Kirkham/Servicio Antártico Británico

Lo que más sorprendió a los investigadores, dijeron, fue la rapidez con la que se formaron estos valles. Cuando el hielo se derritió rápidamente, el agua esculpió los valles durante cientos de años, a la velocidad del rayo, en términos geológicos.

«Este es un hallazgo emocionante», dijo el autor principal James Kirkham, investigador de BAS y la Universidad de Cambridge. «Sabemos que estos valles dramáticos se excavaron durante la agonía de los casquetes polares. Usando una combinación de técnicas de imágenes subterráneas de última generación y un modelo de computadora, aprendimos que los valles de los túneles pueden erosionarse rápidamente debajo de las capas de hielo. experimentando un calor extremo”,

Tradicionalmente se cree que los canales de agua de deshielo estabilizan los glaciares que se derriten y, por extensión, el aumento del nivel del mar, al ayudar a amortiguar el colapso de las capas de hielo, dijeron los investigadores.

Los nuevos hallazgos podrían complicar este panorama. Pero la velocidad a la que se formaron los canales significa que su inclusión en los modelos actuales podría ayudar a mejorar la precisión de las predicciones sobre el derretimiento actual de la capa de hielo, agregaron los autores.

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Hoy en día, solo quedan dos grandes casquetes polares: Groenlandia y la Antártida. La velocidad a la que se derriten es probable que aumente a medida que el clima se calienta.

«La pregunta crítica ahora es si este flujo ‘adicional’ de agua de deshielo a través de los canales hará que nuestras capas de hielo fluyan más rápido o más lento hacia el mar», dijo Hogan.

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Las simulaciones de supercomputadoras revelan cómo un impacto gigante podría haber formado la Luna

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Crédito: Universidad de Durham

Científicos pioneros del Instituto de Cosmología Computacional de la Universidad de Durham han utilizado las simulaciones de supercomputadoras más detalladas hasta la fecha para revelar una explicación alternativa para el origen de la Luna hace 4.500 millones de años. Reveló que un impacto gigante entre la Tierra y un[{» attribute=»»>Mars-sized body could immediately place a Moon-like body into orbit around Earth.

High-end simulations

In their search for scenarios that could explain the present-day Earth-Moon system, the researchers simulated hundreds of different impacts at high resolution, varying the angle and speed of the collision as well as the masses and spins of the two colliding bodies. These calculations were performed using the SWIFT open-source simulation code, run on the DiRAC Memory Intensive service (“COSMA”), hosted by Durham University on behalf of the DiRAC High-Performance Computing facility.

La potencia informática adicional reveló que las simulaciones de baja resolución pueden pasar por alto aspectos cruciales de las colisiones a gran escala. Con simulaciones de alta resolución, los investigadores pueden descubrir características a las que no se podía acceder en estudios anteriores. Solo las simulaciones de alta resolución produjeron el satélite similar a la Luna, y los detalles adicionales revelaron cómo sus capas exteriores contenían más material de la Tierra.

Si gran parte de la Luna se formó inmediatamente después del impacto gigante, también podría significar que se derritió menos durante la formación que en las teorías tradicionales donde la Luna se convirtió en un disco de escombros alrededor de la Tierra. Dependiendo de los detalles de la solidificación posterior, estas teorías deberían predecir diferentes estructuras internas para la Luna.

El coautor del estudio, Vincent Eke, dijo: «Esta vía de formación podría ayudar a explicar la similitud en la composición isotópica entre las rocas lunares devueltas por los astronautas del Apolo y el manto de la Tierra. También puede estar allí. Tener consecuencias observables en el grosor de la corteza lunar, que nos permitiría comprender mejor el tipo de colisión que tuvo lugar.

Lo que es más, descubrieron que incluso cuando un satélite pasa tan cerca de la Tierra que uno esperaría que las «fuerzas de marea» de la gravedad de la Tierra lo destrozaran, el satélite puede sobrevivir. . De hecho, también puede ser empujado a una órbita más amplia, a salvo de futuras destrucciones.

Un abanico de nuevas posibilidades

Jacob Kegerreis, investigador principal del estudio, dijo: “Esto abre una nueva gama de posibles puntos de partida para la evolución de la Luna. Nos embarcamos en este proyecto sin saber exactamente cuáles serían los resultados de estas simulaciones de muy alta resolución. Entonces, además de la gran revelación de que las resoluciones estándar pueden dar respuestas incorrectas, fue muy emocionante que los nuevos resultados pudieran incluir un satélite en órbita parecido a la Luna.

Se cree que la Luna se formó después de que la joven Tierra chocara con un objeto del tamaño de Marte llamado Theia hace 4500 millones de años. La mayoría de las teorías construyen la Luna por una acumulación gradual de escombros de este impacto. Sin embargo, esto ha sido cuestionado por mediciones de rocas lunares que muestran que tienen una composición similar al manto de la Tierra, mientras que el impacto produce escombros que provienen principalmente de Theia.

Este escenario satelital inmediato abre nuevas posibilidades para la órbita lunar inicial, así como la composición prevista y la estructura interna de la Luna. Podría ayudar a explicar misterios sin resolver como la órbita inclinada de la Luna alejándose del ecuador de la Tierra; o podría producir una Luna temprana que no esté completamente derretida, lo que algunos científicos creen que podría encajar mejor con su delgada corteza.

Las numerosas misiones lunares por venir deberían revelar nuevas pistas sobre el tipo de impacto gigante que condujo a la Luna, lo que a su vez nos contará sobre la historia de la Tierra misma.

El equipo de investigación incluyó a científicos de[{» attribute=»»>NASA Ames Research Centre and the University of Glasgow, UK, and their simulation findings have been published in the Astrophysical Journal Letters.

Reference: “Immediate Origin of the Moon as a Post-impact Satellite” by J. A. Kegerreis, S. Ruiz-Bonilla, V. R. Eke, R. J. Massey, T. D. Sandnes and L. F. A. Teodoro, 4 October 2022, Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac8d96

The research was partly supported by a DiRAC Director’s Discretionary Time award and a Science and Technology Facilities Council (STFC) grant.

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