Usando a Fonte Avançada de Fótons, os cientistas recriaram a estrutura de gelo formada no centro de planetas como Netuno e Urano.
Todo mundo sabe sobre gelo, líquido e vapor – mas, dependendo das condições, a água pode na verdade formar mais de uma dúzia de estruturas diferentes. Os cientistas agora adicionaram uma nova fase à lista: gelo superiônico.
Este tipo de gelo se forma em temperaturas e pressões extremamente altas, como no interior de planetas como Netuno e Urano. Anteriormente, o gelo superiônico só havia sido vislumbrado em um breve instante, enquanto os cientistas enviavam uma onda de choque através de uma gota d’água, mas em um novo estudo publicado na Nature Physics, os cientistas encontraram uma maneira de criar, sustentar e examinar o gelo de forma confiável.
“Foi uma surpresa – todos pensaram que essa fase não iria aparecer até que você estivesse em pressões muito mais altas do que onde a encontramos pela primeira vez”, disse o co-autor do estudo Vitali Prakapenka, professor pesquisador da Universidade de Chicago e cientista de linhas de luz no Advanced Photon Fonte (APS), uma instalação de usuário do Office of Science do Departamento de Energia dos EUA (DOE) no Laboratório Nacional de Argonne do DOE. “Mas fomos capazes de mapear com muita precisão as propriedades desse novo gelo, que constitui uma nova fase da matéria, graças a várias ferramentas poderosas.”
Mesmo que os humanos tenham olhado para trás no tempo, para o início do universo – e até as menores partículas que constituem toda a matéria – ainda não entendemos exatamente o que se esconde nas profundezas da Terra, muito menos dentro dos planetas irmãos em nosso solar sistema. Os cientistas cavaram apenas cerca de 11 quilômetros abaixo da superfície da Terra antes que o equipamento começasse a derreter devido ao calor e pressão extremos. Nessas condições, a rocha se comporta mais como plástico, e até mesmo as estruturas de moléculas básicas, como a água, começam a mudar.
“Conseguimos mapear com muita precisão as propriedades desse novo gelo, que constitui uma nova fase da matéria, graças a várias ferramentas poderosas”, disse Vitali Prakapenka, da Universidade de Chicago.
Como não podemos alcançar esses lugares fisicamente, os cientistas devem recorrer ao laboratório para recriar condições de calor e pressão extremos.
Prakapenka e seus colegas usam o APS, um acelerador massivo que leva os elétrons a velocidades extremamente altas, próximas da velocidade da luz, para gerar feixes brilhantes de raios-X. Eles espremem suas amostras entre duas peças de diamante – a substância mais dura da Terra – para simular as pressões intensas e, em seguida, disparam lasers através dos diamantes para aquecer a amostra. Finalmente, eles enviam um feixe de raios-X através da amostra e juntam o arranjo dos átomos internos com base em como os raios-X se espalham pela amostra.
Quando eles realizaram os experimentos pela primeira vez, Prakapenka viu leituras da estrutura muito diferentes do que ele esperava. Ele pensou que algo havia dado errado e ocorrera uma reação química indesejada, que costuma acontecer com a água nesses experimentos. “Mas quando desliguei o laser e a amostra voltou à temperatura ambiente, o gelo voltou ao seu estado original”, disse ele. “Isso significa que foi uma mudança estrutural reversível, não uma reação química.”
Olhando para a estrutura do gelo, a equipe percebeu que havia uma nova fase nas mãos. Eles foram capazes de mapear com precisão sua estrutura e propriedades.
“Imagine um cubo, uma rede com átomos de oxigênio nos cantos conectados por hidrogênio”, disse Prakapenka. “Quando se transforma nesta nova fase superiônica, a rede se expande, permitindo que os átomos de hidrogênio migrem enquanto os átomos de oxigênio permanecem estáveis em suas posições. É como uma rede sólida de oxigênio situada em um oceano de átomos de hidrogênio flutuantes.”
Isso tem consequências sobre como o gelo se comporta: torna-se menos denso, mas significativamente mais escuro porque interage de forma diferente com a luz. Mas toda a gama de propriedades químicas e físicas do gelo superiônico ainda precisa ser explorada. “É um novo estado da matéria, então basicamente age como um novo material e pode ser diferente do que pensávamos”, disse Prakapenka.
As descobertas também foram uma surpresa, porque enquanto os cientistas teóricos previram esta fase, a maioria dos modelos pensava que ela não iria aparecer até que a água fosse comprimida a mais de 50 gigapascais de pressão (quase o mesmo que as condições dentro do combustível de foguete quando ele detona para decolar ) Mas esses experimentos ocorreram em apenas 20 gigapascais. “Às vezes, você recebe surpresas como essa”, disse Prakapenka.
Mas mapear as condições exatas onde ocorrem as diferentes fases do gelo é importante para, entre outras coisas, entender a formação do planeta e até mesmo onde procurar vida em outros planetas. Os cientistas acreditam que condições semelhantes existem no interior de Netuno e Urano, e em outros planetas frios e rochosos como eles em outras partes do universo.
As propriedades desses gelos desempenham um papel nos campos magnéticos de um planeta, que têm um grande impacto em sua capacidade de hospedar vida: os poderosos campos magnéticos da Terra nos protegem da radiação e dos raios cósmicos nocivos, enquanto as superfícies dos planetas estéreis Marte e Mercúrio são expor. Conhecer as condições que afetam a formação do campo magnético pode guiar os cientistas em sua busca por estrelas e planetas em outros sistemas solares que possam hospedar vida.
Prakapenka disse que há muitos outros ângulos a explorar, como condutividade e viscosidade, estabilidade química, o que muda quando a água se mistura com sais ou outros minerais, como costuma acontecer nas profundezas da superfície da Terra. “Isso deve estimular muito mais estudos”, disse ele.
Publicado em 30/10/2021 11h02
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