Nem todo gelo é igual. A forma sólida da água vem em mais de uma dúzia de estruturas diferentes – às vezes mais, às vezes menos cristalinas – dependendo das condições de pressão e temperatura no ambiente. O gelo superiônico é uma forma cristalina especial – meio sólido, meio líquido – e eletricamente condutiva.
Sua existência foi prevista com base em vários modelos e já foi observada em várias ocasiões em condições extremas de laboratório. No entanto, as condições exatas nas quais os gelos superiônicos são estáveis permanecem controversas.
Uma equipe de cientistas liderada por Vitali Prakapenka da Universidade de Chicago, que também inclui Sergey Lobanov do Centro Alemão de Pesquisa de Geociências GFZ Potsdam, mediu agora a estrutura e as propriedades de duas fases superiônicas do gelo (gelo XVIII e gelo XX). Eles levaram a água a pressões e temperaturas extremamente altas em uma célula de bigorna de diamante aquecida a laser. Ao mesmo tempo, as amostras foram examinadas quanto à estrutura e condutividade elétrica. Os resultados foram publicados hoje na conceituada revista Nature Physics. Eles fornecem outra peça do quebra-cabeça no espectro das manifestações da água. E também podem ajudar a explicar os campos magnéticos incomuns dos planetas Urano e Netuno, que contêm muita água.
Gelo quente?
O gelo está frio; pelo menos gelo tipo I de nosso freezer, neve ou de um lago congelado. Em planetas ou em dispositivos de alta pressão de laboratório, existem diferentes espécies de gelo, tipo VII ou VIII, por exemplo, que existem a várias centenas ou milhares de graus Celsius. No entanto, isso ocorre apenas por causa das pressões muito altas de várias dezenas de Gigapascal.
A pressão e a temperatura abrangem o espaço para o chamado diagrama de fase de uma substância: dependendo desses dois parâmetros, as várias manifestações da água e as transições entre os estados sólido, gasoso, líquido e híbrido são registradas aqui – como são previstas teoricamente ou já foram comprovados em experimentos.
Ligando a física fundamental com questões geológicas
Quanto mais alta a pressão e a temperatura, mais difíceis são esses experimentos. E assim o diagrama de fase da água – com gelo como sua fase sólida – ainda tem algumas imprecisões e inconsistências nas faixas extremas.
“A água é, na verdade, um composto químico relativamente simples que consiste em um átomo de oxigênio e dois de hidrogênio. No entanto, com seu comportamento frequentemente incomum, ainda não é totalmente compreendido. No caso da água, os interesses físicos e geocientíficos fundamentais se unem porque a água atua um papel importante dentro de muitos planetas. Não apenas em termos de formação de vida e paisagens, mas – no caso dos planetas gasosos Urano e Netuno – também para a formação de seus campos magnéticos planetários incomuns “, diz Sergey Lobanov, geofísico da GFZ Potsdam.
Condições únicas no laboratório
Sergey Lobanov faz parte da equipe liderada pelo primeiro autor Vitali Prakapenka e Nicholas Holtgrewe, ambos da Universidade de Chicago, e Alexander Goncharov, da Carnegie Institution of Washington. Eles agora caracterizaram ainda mais o diagrama de fases da água em seus extremos. Usando células de bigorna de diamante aquecidas a laser – do tamanho de um mouse de computador – eles geraram altas pressões de até 150 Gigapascal (cerca de 1,5 milhão de vezes a pressão atmosférica) e temperaturas de até 6.500 Kelvin (cerca de 6.227 graus Celsius). Na câmara de amostra, que tem apenas alguns milímetros cúbicos de tamanho, prevalecem as condições que ocorrem na profundidade de vários milhares de quilômetros dentro de Urano ou Netuno.
Os cientistas usaram a difração de raios-X para observar como a estrutura do cristal muda sob essas condições. Eles realizaram esses experimentos usando os raios X síncrotron extremamente brilhantes da Advanced Photon Source (APS) do Argonne National Laboratory da Universidade de Chicago. Uma segunda série de experimentos no Earth and Planets Laboratory do Carnegie Institution of Washington usou espectroscopia óptica para determinar a condutividade eletrônica.
Mudanças estruturais no gelo à medida que ele passa pelo espaço de fase: Formação de gelo superiônico
Os pesquisadores primeiro produziram gelo VII ou X de água em temperatura ambiente, aumentando a pressão para várias dezenas de Gigapascal (veja o diagrama de fase). E então, com pressão constante, eles aumentaram a temperatura aquecendo-a com luz laser. No processo, eles observaram como a estrutura cristalina do gelo mudou: primeiro, os átomos de oxigênio e hidrogênio se moveram um pouco em torno de suas posições fixas. Então, apenas o oxigênio permaneceu fixo e formou sua própria estrutura cristalina cúbica. Com o aumento da temperatura, o hidrogênio ionizou-se, ou seja, cedeu seu único elétron para a rede de oxigênio. Seu núcleo atômico – um próton com carga positiva – passou zunindo por esse sólido, tornando-o eletricamente condutor. Desta forma, um híbrido de sólido e líquido é criado: Gelo superiônico.
A sua existência foi prevista com base em vários modelos e já foi observada em várias ocasiões em condições de laboratório. Os cientistas agora foram capazes de sintetizar e identificar duas fases superiônicas do gelo – gelo XVIII e gelo XX – e delinear as condições de pressão e temperatura de sua estabilidade. “Devido à sua densidade distinta e maior condutividade óptica, atribuímos as estruturas observadas às fases de gelo superiônicas teoricamente previstas”, explica Lobanov.
Consequências para a explicação do campo magnético de Urano e Netuno
Em particular, a transição de fase para um líquido condutor tem consequências interessantes para as questões em aberto em torno do campo magnético de Urano e Netuno, que presumivelmente consistem em mais de sessenta por cento de água. Seu campo magnético é incomum, pois não corre quase paralelo e simetricamente ao eixo de rotação – como acontece na Terra – mas é inclinado e descentralizado. Os modelos de sua formação, portanto, presumem que ele não é gerado – como na Terra – pelo movimento do ferro derretido no núcleo, mas por um líquido condutor rico em água no terço externo de Urano ou Netuno.
“No diagrama de fase, podemos desenhar a pressão e a temperatura no interior de Urano e Netuno. Aqui, a pressão pode ser medida aproximadamente como uma medida da profundidade interna. Com base nos limites de fase refinados que medimos, vemos que cerca do terço superior de ambos os planetas é líquido, mas os interiores mais profundos contêm gelo superiônico sólido. Isso confirma as previsões sobre a origem do campo magnético observado “, resume Lobanov.
Panorama
O geofísico destaca que novas investigações para melhor esclarecer a estrutura interna e o campo magnético dos dois planetas gasosos serão realizadas no GFZ. Aqui, além das células de bigorna de diamante já em uso, há o laboratório de alta pressão correspondente e o equipamento de medição espectroscópica altamente sensível. Lobanov criou o último como parte de seu financiamento como chefe do Helmholtz Young Investigators Group CLEAR para investigar os fenômenos das profundezas da Terra com técnicas de espectroscopia ultrarrápida resolvida no tempo não convencionais.
Publicado em 15/10/2021 16h07
Artigo original:
Estudo original: