Um estudo publicado na Physical Review Letters mostrou como cientistas conseguiram criar um “gelo” a mais de 2.300 ºC e, assim, trazerem informações importantes sobre como Urano e Netuno têm campos magnéticos tão irregulares.
Água se comporta de maneira diferente sob pressão extrema
O experimento pode parecer contraditório porque, em condições comuns, temperaturas superiores a 2.300 ºC seriam suficientes para transformar a água em vapor. O que muda completamente esse cenário é a pressão.
Os pesquisadores comprimiram pequenas amostras de água a mais de 200 gigapascals, o equivalente a mais de 2 milhões de vezes a pressão atmosférica existente na superfície da Terra. Ao mesmo tempo, utilizaram lasers para elevar a temperatura até 2.630 kelvins, aproximadamente 2.357 ºC.
Nessas condições, a água não se comporta como um líquido ou gás convencional. Os átomos de oxigênio conseguem permanecer organizados em uma estrutura cristalina, enquanto os núcleos de hidrogênio apresentam mobilidade dentro dessa estrutura. É justamente essa combinação que caracteriza o chamado gelo superiônico.
O resultado é um estado da matéria que reúne características normalmente associadas a sólidos e líquidos. A estrutura formada permanece organizada, mas o hidrogênio consegue se movimentar por dentro dela.
Cientistas encontraram uma nova estrutura do gelo
O principal avanço do trabalho foi a identificação de uma configuração específica dos átomos de oxigênio conhecida como estrutura hexagonal compacta, ou hcp, na sigla em inglês.
Até então, experimentos envolvendo gelo superiônico haviam identificado principalmente uma organização chamada cúbica de face centrada, conhecida como fcc. As duas estruturas possuem uma disposição compacta dos átomos, mas diferem na maneira como as camadas são organizadas.
Para identificar qual estrutura estava presente, os cientistas utilizaram difração de raios X produzidos por uma fonte de luz síncrotron. Essa técnica permite analisar como os raios X interagem com a estrutura interna do material e, a partir do padrão obtido, determinar como os átomos estão organizados.
No experimento, a estrutura hcp passou a predominar conforme a pressão e a temperatura aumentaram. Nas condições mais extremas, de 219 gigapascals e 2.630 kelvins, os sinais associados à estrutura fcc praticamente desapareceram, enquanto os correspondentes à hcp se tornaram dominantes.
O que é o gelo superiônico?
O gelo superiônico é uma fase da água que surge quando temperatura e pressão atingem níveis muito diferentes daqueles encontrados na superfície terrestre.
Nesse estado, os átomos de oxigênio permanecem organizados como em um sólido. Os núcleos de hidrogênio, porém, conseguem se deslocar pela estrutura. Dessa forma, o material mantém uma espécie de rede cristalina enquanto apresenta mobilidade interna dos íons de hidrogênio.
Essa característica é importante porque o movimento das partículas carregadas pode influenciar a condução elétrica do material. Por isso, o comportamento do gelo superiônico é especialmente relevante para estudar o interior de planetas submetidos a pressões e temperaturas extremas.
A nova pesquisa não mediu diretamente a condutividade elétrica da estrutura hcp. No entanto, os pesquisadores observaram uma expansão térmica anormal compatível com a entrada desse material no regime superiônico, reforçando a interpretação de que a nova fase apresenta esse comportamento.
Como isso pode ajudar a explicar Urano e Netuno
Urano e Netuno são classificados como gigantes de gelo porque possuem grandes quantidades de elementos como água, amônia e metano em suas regiões internas. A enorme pressão existente no interior desses planetas cria condições muito diferentes das encontradas na Terra.
Os cientistas acreditam que o gelo superiônico possa existir em regiões desses mundos, sendo, inclusive, um dos principais componentes dos planetas. Como o material pode apresentar propriedades elétricas incomuns, sua presença pode ajudar a explicar características dos campos magnéticos de Urano e Netuno.
Urano e Netuno não possuem campos magnéticos organizados de maneira semelhante ao campo terrestre. Eles apresentam estruturas inclinadas e deslocadas em relação ao centro dos planetas, o que indica que o mecanismo responsável por sua geração ocorre de maneira diferente do que acontece na Terra.
A descoberta da fase hcp acrescenta uma variável a esses modelos. Se essa estrutura tiver propriedades mecânicas ou elétricas diferentes da forma fcc, a maneira como cargas e matéria se movimentam no interior dos gigantes de gelo também pode ser diferente daquela considerada em modelos anteriores.
