Las máximas presiones alcanzadas en el laboratorio

En el mundo de la ciencia de materiales y la física de altas presiones, los investigadores han logrado recrear en el laboratorio condiciones que rivalizan –y en algunos casos superan– las que se encuentran en el interior de los planetas. Estos experimentos no solo abren nuevas fronteras en el entendimiento de la materia en estados extremos, sino que también impulsan innovaciones en el diseño de nuevos materiales y en la comprensión de fenómenos geofísicos y astrofísicos.

¿Qué Significa Alcanzar Altas Presiones?

La presión es la fuerza ejercida por unidad de área. En los laboratorios de alta presión, los científicos utilizan dispositivos especializados para concentrar fuerzas inmensas en muestras minúsculas, permitiendo estudiar cómo se comporta la materia bajo condiciones que, en muchos casos, exceden las presiones existentes en el centro de la Tierra. Estos experimentos son esenciales para:

-Explorar nuevos estados de la materia: Por ejemplo, el comportamiento del osmio o la transformación del agua en fases exóticas como el hielo superiónico.

-Simular condiciones planetarias: Comprender la estructura y dinámica de planetas gigantes o incluso de estrellas.

-Desarrollar materiales avanzados: Materiales que puedan soportar condiciones extremas para aplicaciones en ingeniería, aeroespacial y tecnología nuclear.

Técnicas para Generar Altas Presiones

Celda de Yunque de Diamante

La herramienta más icónica en estos experimentos es la celda de yunque de diamante (DAC). Este dispositivo utiliza dos pequeños diamantes que se enfrentan, concentrando la fuerza sobre una muestra diminuta. Gracias a la increíble dureza y transparencia del diamante, es posible alcanzar presiones superiores a los 300 GPa (gigapascales) – ¡más allá de lo que se cree existir en el núcleo terrestre!

(Foto:  Gasper J. Piermarini /NIST)

Compresión de Choque y Prensas Multi-Yunque

Además del DAC, existen otras técnicas como la compresión de choque, que utiliza explosiones controladas o proyectiles para generar presiones momentáneas y extremadamente altas, y las prensas multi-yunque, que permiten comprimir muestras de mayor tamaño a presiones constantes durante períodos más largos. Cada método ofrece ventajas específicas y es seleccionado de acuerdo a la naturaleza de la investigación y las propiedades del material a estudiar.

Récords de Presión en el Laboratorio

La Presión Estática Más Alta

Recientes experimentos han logrado romper récords históricos. Un equipo internacional de científicos consiguió alcanzar una presión estática máxima de 770 GPa, lo que duplica la presión del núcleo interno de la Tierra y supera en más de 130 GPa el récord previo. Este hito se alcanzó utilizando avanzados dispositivos en centros de investigación europeos, permitiendo explorar el comportamiento de materiales como el osmio a presiones sin precedentes.

El Récord de 1 Terapascal

Otro experimento innovador alcanzó la asombrosa marca de 1 terapascal (TPa), es decir, 1 billón de pascales. Este logro, obtenido gracias a la dedicación y colaboración de equipos internacionales, ha abierto la puerta a nuevas investigaciones sobre la metalización de elementos y la síntesis de fases de la materia que podrían tener propiedades revolucionarias en el campo de la superconductividad y otros fenómenos cuánticos.

Aplicaciones y Relevancia Científica

Ciencia de Materiales y Diseño de Componentes

La capacidad para reproducir estas presiones extremas en el laboratorio permite diseñar y probar materiales para condiciones de estrés extremo, como aquellos que se usan en la industria aeroespacial, la generación de energía nuclear y la exploración espacial. Conocer cómo se comportan los materiales a presiones tan elevadas es crucial para garantizar la seguridad y la durabilidad de componentes críticos.

Simulación de Condiciones Planetarias

Los experimentos en alta presión ayudan a comprender la composición y estructura interna de planetas y otros cuerpos celestes. Por ejemplo, recrear condiciones similares a las del interior de los gigantes gaseosos o helados puede arrojar luz sobre la formación y evolución de estos cuerpos celestes, así como sobre la dinámica de sus campos magnéticos y actividad sísmica.

Avances en Física Fundamental

La investigación en condiciones extremas abre nuevas áreas en la física cuántica y termodinámica. Estudiar la transición de fases, la metalización de elementos y la aparición de fenómenos exóticos, como el agua superiónica o el hidrógeno metálico, ofrece pistas fundamentales sobre el comportamiento de la materia y los límites de la teoría física actual.

El futuro se perfila prometedor, con el desarrollo de nuevos dispositivos y técnicas que permitirán alcanzar incluso presiones superiores y estudiar materiales en condiciones aún más extremas. Estas investigaciones no solo impulsarán el conocimiento fundamental, sino que también podrán traducirse en aplicaciones tecnológicas revolucionarias.