Um novo experimento confirma a existência de “gelo superiônico”, uma forma bizarra de água que pode compreender a maior parte dos planetas gelados gigantes em todo o universo.
Recentemente, no Laboratory for Laser Energetics, em Brighton, Nova York, um dos lasers mais poderosos do mundo explodiu uma gota de água, criando uma onda de choque que elevou a pressão da água a milhões de atmosferas e sua temperatura a milhares de graus. Raios-X que irradiavam através da gota na mesma fração de segundo ofereciam o primeiro vislumbre de água da humanidade sob essas condições extremas.
Os raios X revelaram que a água dentro da onda de choque não se tornou um líquido ou gás superaquecido. Paradoxalmente – mas exatamente como os físicos apertavam os olhos para as telas de uma sala adjacente – os átomos congelaram, formando gelo cristalino.
“Você ouve o tiro”, disse Marius Millot, do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na Califórnia, e “imediatamente vê que algo interessante estava acontecendo”. Millot co-liderou o experimento com Federica Coppari, também de Lawrence Livermore.
As descobertas, publicadas na Nature, confirmam a existência de “gelo superiônico”, uma nova fase da água com propriedades bizarras. Diferentemente do gelo familiar encontrado em seu freezer ou no pólo norte, o gelo superiônico é preto e quente. Um cubo pesaria quatro vezes mais que o normal. Foi teoricamente previsto pela primeira vez há mais de 30 anos e, embora nunca tenha sido visto até agora, os cientistas acham que pode estar entre as formas mais abundantes de água no universo.
“É realmente um novo estado da matéria, o que é bastante espetacular.“
Livia Bove
Em todo o sistema solar, pelo menos, provavelmente existe mais água como gelo superiônico – preenchendo os interiores de Urano e Netuno – do que em qualquer outra fase, incluindo a forma líquida que se espalha nos oceanos da Terra, Europa e Encélado. A descoberta de gelo superiônico potencialmente resolve quebra-cabeças de décadas sobre a composição desses mundos “gigantes do gelo”.
Incluindo o arranjo hexagonal de moléculas de água encontradas no gelo comum, conhecido como “gelo Ih”, os cientistas já haviam descoberto 18 desconcertantes arquiteturas de cristal de gelo. Após o gelo I, que vem em duas formas, Ih e Ic, o restante é numerado de II a XVII, em ordem de descoberta. (Sim, existe um Ice IX, mas ele existe apenas em condições inventadas, ao contrário da substância fictícia do dia do juízo final no romance Cat’s Cradle de Kurt Vonnegut.)
O gelo superiônico agora pode reivindicar o manto do gelo XVIII. É um cristal novo, mas com um toque. Todos os sorvetes de água conhecidos anteriormente são feitos de moléculas de água intactas, cada uma com um átomo de oxigênio ligado a dois hidrogênios. Mas o gelo superiônico, confirmam as novas medições, não é assim. Existe em uma espécie de limbo surrealista, parte sólida, parte líquida. Moléculas de água individuais se separam. Os átomos de oxigênio formam uma estrutura cúbica, mas os átomos de hidrogênio são liberados, fluindo como um líquido através da gaiola rígida de oxigênio.
Especialistas dizem que a descoberta de gelo superiônico justifica previsões por computador, o que poderia ajudar os físicos a criar substâncias futuras com propriedades sob medida. E encontrar o gelo exigia medições ultra-rápidas e controle fino de temperatura e pressão, avançando as técnicas experimentais. “Tudo isso não teria sido possível, digamos, cinco anos atrás”, disse Christoph Salzmann, da University College London, que descobriu os sorvetes XIII, XIV e XV. “Isso terá um enorme impacto, com certeza.”
Dependendo de quem você perguntar, o gelo superiônico é outra adição à variedade de avatares já desordenados da água ou algo ainda mais estranho. Como suas moléculas de água se separam, disseram a física Livia Bove, do Centro Nacional de Pesquisa Científica da França, e a Universidade Pierre e Marie Curie, não é uma nova fase da água. “É realmente um novo estado da matéria”, disse ela, ” o que é bastante espetacular”.
Enigmas Colocados no Gelo
Os físicos estão atrás de gelo superiônico há anos – desde que uma simulação primitiva por computador liderada por Pierfranco Demontis, em 1988, previa que a água assumisse essa forma estranha, quase metálica, se você a empurrasse para além do mapa das fases conhecidas do gelo.
Sob extrema pressão e calor, sugeriram as simulações, as moléculas de água quebram. Com os átomos de oxigênio presos em uma estrutura cúbica, “os hidrogênios agora começam a pular de uma posição no cristal para outra, e pulam de novo e pulam de novo”, disse Millot. Os saltos entre os locais da rede são tão rápidos que os átomos de hidrogênio – que são ionizados, tornando-os prótons essencialmente carregados positivamente – parecem se mover como um líquido.
Isso sugeria que o gelo superiônico conduzisse eletricidade, como um metal, com os hidrogênios desempenhando o papel usual dos elétrons. A presença desses átomos de hidrogênio soltos também aumentaria a desordem do gelo, ou entropia. Por sua vez, esse aumento na entropia tornaria esse gelo muito mais estável do que outros tipos de cristais de gelo, fazendo com que seu ponto de fusão subisse.
Simulação por computador da nova fase superiônica de gelo na água, ilustrando o movimento aleatório de líquido dos íons hidrogênio (cinza, com alguns destacados em vermelho) dentro de uma estrutura cúbica de íons de oxigênio (azul) centrada na face.
Mas tudo isso era fácil de imaginar e difícil de confiar. Os primeiros modelos usavam física simplificada, abrindo mão da natureza quântica das moléculas reais. Simulações posteriores dobraram em mais efeitos quânticos, mas ainda contornaram as equações reais necessárias para descrever vários corpos quânticos interagindo, que são computacionalmente difíceis de resolver. Em vez disso, eles se baseavam em aproximações, aumentando a possibilidade de que todo o cenário pudesse ser apenas uma miragem em uma simulação. Enquanto isso, as experiências não conseguiam fazer as pressões necessárias sem também gerar calor suficiente para derreter até essa substância resistente.
À medida que o problema fervia, os cientistas planetários desenvolveram suas próprias suspeitas de que a água poderia ter uma fase de gelo superiônica. Bem na época em que a fase foi prevista pela primeira vez, a sonda Voyager 2 havia navegado para o sistema solar externo, descobrindo algo estranho sobre os campos magnéticos dos gigantes do gelo Urano e Netuno.
Os campos ao redor dos outros planetas do sistema solar parecem ser compostos de pólos norte e sul fortemente definidos, sem muita outra estrutura. É quase como se eles tivessem apenas ímãs de barra em seus centros, alinhados com seus eixos de rotação. Os cientistas planetários atribuem isso a “dínamos”: regiões interiores onde os fluidos condutores sobem e agitam à medida que o planeta gira, gerando enormes campos magnéticos.
Por outro lado, os campos magnéticos que emanavam de Urano e Netuno pareciam mais volumosos e complexos, com mais de dois pólos. Eles também não se alinham tão próximo à rotação de seus planetas. Uma maneira de produzir isso seria confinar de alguma forma o fluido condutor responsável pelo dínamo em apenas uma fina camada externa do planeta, em vez de deixá-lo atingir o núcleo.
Mas a ideia de que esses planetas podem ter núcleos sólidos, incapazes de gerar dínamos, não parecia realista. Se você perfurasse esses gigantes de gelo, esperaria encontrar primeiro uma camada de água iônica, que fluiria, conduziria correntes e participaria de um dínamo. Ingenuamente, parece que um material ainda mais profundo, a temperaturas ainda mais quentes, também seria um fluido. “Costumava sempre fazer piadas de que não há como o interior de Urano e Netuno ser realmente sólido”, disse Sabine Stanley, da Universidade Johns Hopkins. “Mas agora acontece que eles podem realmente estar.”
Gelo na explosão
Agora, finalmente, Coppari, Millot e sua equipe juntaram as peças do quebra-cabeça.
Em um experimento anterior, publicado em fevereiro passado, os físicos construíram evidências indiretas para o gelo superiônico. Apertaram uma gota de água à temperatura ambiente entre as pontas pontiagudas de dois diamantes cortados. Quando a pressão aumentou para cerca de um gigapascal, cerca de 10 vezes a do fundo da Fossa das Marianas, a água havia se transformado em um cristal tetragonal chamado gelo VI. Em cerca de 2 gigapascais, ele havia mudado para o gelo VII, uma forma cúbica mais densa e transparente a olho nu que os cientistas descobriram recentemente que também existe em pequenos bolsos dentro de diamantes naturais.
Então, usando o laser da OMEGA no Laboratório de Energética a Laser, Millot e colegas miraram no gelo VII, ainda entre bigornas de diamante. Quando o laser atingiu a superfície do diamante, ele vaporizou o material para cima, disparando efetivamente o diamante na direção oposta e enviando uma onda de choque através do gelo. A equipe de Millot descobriu que o gelo super pressurizado derretia a cerca de 4.700 graus Celsius, quase como esperado para o gelo superiônico, e que ele conduzia eletricidade graças ao movimento de prótons carregados.
Com essas previsões estabelecidas sobre as propriedades a granel do gelo superiônico, o novo estudo liderado por Coppari e Millot deu o próximo passo para confirmar sua estrutura. “Se você realmente quer provar que algo é cristalino, precisa de difração de raios-X”, disse Salzmann.
Seu novo experimento pulou completamente os sorvetes VI e VII. Em vez disso, a equipe simplesmente quebrou a água com raios laser entre bigornas de diamante. Milionésimos de segundo depois, quando as ondas de choque se espalharam e a água começou a cristalizar em cubos de gelo do tamanho de nanômetros, os cientistas usaram mais 16 raios laser para vaporizar uma fina tira de ferro ao lado da amostra. O plasma quente resultante inundou a água cristalizada com raios-X, que depois se difrataram dos cristais de gelo, permitindo que a equipe discernisse sua estrutura.
Átomos na água haviam se rearranjado na arquitetura há muito prevista, mas nunca antes vista, Ice XVIII: uma treliça cúbica com átomos de oxigênio em todos os cantos e no centro de cada face. “É um grande avanço”, disse Coppari.
“O fato de a existência dessa fase não ser um artefato de simulações dinâmicas moleculares quânticas, mas é real – é muito reconfortante”, disse Bove.
E esse tipo de verificação bem-sucedida por trás de simulações e gelo superiônico real sugere que o “sonho” final dos pesquisadores de física dos materiais pode estar em breve ao alcance. “Você me diz quais propriedades deseja em um material e vamos ao computador e descobrimos teoricamente que material e que tipo de estrutura cristalina você precisa”, disse Raymond Jeanloz, membro da equipe de descoberta da Universidade da Califórnia, Berkeley. “A comunidade em geral está se aproximando.”
As novas análises também sugerem que, embora o gelo superiônico conduz alguma eletricidade, é um sólido mole. Fluiria ao longo do tempo, mas não verdadeiramente agitado. Dentro de Urano e Netuno, então, as camadas fluidas podem parar cerca de 8.000 quilômetros no planeta, onde começa um manto enorme de gelo superiônico lento como a equipe de Millot produzida. Isso limitaria a maioria das ações do dínamo a profundidades mais rasas, respondendo pelos campos incomuns dos planetas.
Outros planetas e luas no sistema solar provavelmente não hospedam os pontos ideais de temperatura e pressão para permitir o gelo superiônico. Mas muitos exoplanetas do tamanho de gigantes de gelo podem, sugerindo que a substância pode ser comum dentro de mundos gelados em toda a galáxia.
É claro que nenhum planeta real contém apenas água. Os gigantes do gelo em nosso sistema solar também se misturam em espécies químicas como metano e amônia. A extensão em que o comportamento superiônico realmente ocorre na natureza “dependerá de essas fases ainda existirem quando misturarmos água com outros materiais”, disse Stanley. Até agora, isso não está claro, embora outros pesquisadores tenham argumentado que a amônia superiônica também deveria existir.
Além de estender suas pesquisas para outros materiais, a equipe também espera continuar se concentrando na estranha, quase paradoxal, dualidade de seus cristais superiônicos. Apenas capturar a rede de átomos de oxigênio “é claramente o experimento mais desafiador que já fiz”, disse Millot. Eles ainda não viram o fluxo fantasmagórico e intersticial de prótons através da treliça. “Tecnologicamente, ainda não estamos lá”, disse Coppari, “mas o campo está crescendo muito rápido”.
Publicado em 20/12/2019
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