Recentemente, no Laboratório de Energia Laser em Brighton, Nova York, um dos lasers mais poderosos do mundo atingiu uma gota d'água, criando uma onda de choque que elevou a pressão naquela água para milhões de atmosferas e a temperatura para milhares de graus. Os raios X que passaram por essa gota na mesma fração de segundo mostraram à humanidade o primeiro vislumbre de água em tais condições extremas. Eles mostraram que a água dentro da onda de choque não se tornou um líquido ou gás superaquecido. Não, a água está congelada.
Paradoxalmente, os átomos de água congelaram para formar gelo cristalino. No entanto, como os físicos esperavam, semicerrando os olhos para as telas na sala ao lado.
“Você ouve um tiro e, ao mesmo tempo, vê que algo interessante aconteceu”, diz Marius Millo, do Laboratório Nacional de Livermore. Lawrence, que conduziu o experimento com Federica Coppari.
O que acontece com a água em alta pressão e temperatura?
Os resultados deste trabalho, publicados esta semana na Nature, confirmam a existência do “gelo superiónico”, uma nova fase da água com propriedades bizarras. Ao contrário do gelo familiar encontrado no freezer ou no Pólo Norte, o gelo superiônico é preto e quente. Um cubo desse gelo pesava quatro vezes o peso normal. Sua existência foi prevista pela primeira vez há mais de 30 anos e, embora nunca tenha sido vista antes, os cientistas acreditam que pode ser um dos tipos de água mais abundantes do universo.
Mesmo no sistema solar, a maior parte da água provavelmente está na forma de gelo superiônico - nas entranhas de Urano e Netuno. Há mais do que água líquida nos oceanos da Terra, Europa e Enceladus. A descoberta do gelo superiônico pode resolver velhos mistérios sobre a composição desses "gigantes de gelo".
Os cientistas já descobriram dezoito arquiteturas incríveis de cristal de gelo, incluindo o arranjo hexagonal das moléculas de água no gelo regular (Ih). Depois de ice-I, que vem em duas formas, Ih e Ic, as demais formas são numeradas de II a XVII na ordem de abertura. Sim, "ice-9" realmente existe, mas suas propriedades não são as mesmas do romance "Cat's Cradle" de Kurt Vonnegut.
Vídeo promocional:
O gelo superiônico pode reivindicar o manto do Gelo-XVIII. Este é um novo cristal, mas há uma coisa nele. Todos os gelados de água conhecidos anteriormente são compostos de moléculas de água intactas, nas quais um átomo de oxigênio está ligado a dois átomos de hidrogênio. Mas o gelo superiônico, como mostram as novas medições, não é assim. Ele existe em uma espécie de membro surreal, meio sólido, meio líquido. As moléculas de água individuais se desintegram. Os átomos de oxigênio formam uma rede cúbica, mas os átomos de hidrogênio se espalham livremente, fluindo como um líquido através de uma célula de oxigênio rígida.
Os especialistas dizem que a descoberta do gelo superiônico justifica as previsões do computador que poderiam ajudar os físicos materiais a criar substâncias futuras com propriedades individuais. E a descoberta desse gelo exigiu medições ultrarrápidas e controle preciso de temperatura e pressão, que só se tornaram possíveis com o aprimoramento de métodos experimentais.
A física Livia Bove, do Centro Nacional de Pesquisa Científica da França, acredita que, como as moléculas de água se quebram, esta não é exatamente uma nova fase da água. "É um novo estado da matéria, o que é bastante impressionante."
Quebra-cabeças de gelo
Os físicos vêm caçando gelo superiônico há muitos anos - desde que uma simulação de computador primitiva por Pierfranco Demontes em 1988 previu que a água assumiria essa forma estranha, quase metálica, se empurrada para fora do mapa de fases conhecidas do gelo.
A modelagem mostrou que sob forte pressão e calor, as moléculas de água são destruídas. Os átomos de oxigênio estão presos em uma estrutura cúbica e "o hidrogênio começa a pular de uma posição no cristal para outra, repetidamente", diz Millo. Esses saltos entre os locais da rede são tão rápidos que os átomos de hidrogênio - que se ionizam, tornando-se essencialmente prótons carregados positivamente - se comportam como um líquido.
Foi sugerido que o gelo superiônico conduzirá eletricidade como um metal e o hidrogênio atuará como elétrons. A presença desses átomos de hidrogênio livres também aumentará a desordem do gelo, sua entropia. Por sua vez, o aumento da entropia tornará o gelo mais estável do que outros tipos de cristais de gelo, e como resultado seu ponto de fusão aumentará.
É fácil imaginar tudo isso, é difícil acreditar nisso. Os primeiros modelos usavam física simplificada, vagando pela natureza quântica das moléculas reais. Simulações posteriores adicionaram mais efeitos quânticos, mas ainda contornaram as equações reais necessárias para descrever a interação de vários corpos quânticos, que é muito difícil de calcular. Em vez disso, eles se basearam em aproximações, o que aumentou a probabilidade de que todo esse cenário se tornasse uma miragem na simulação. Enquanto isso, os experimentos não conseguiam criar a pressão necessária e gerar calor suficiente para derreter essa substância forte.
E quando todos já haviam abandonado essa aventura, os cientistas planetários expressaram suas próprias suspeitas de que a água poderia ter uma fase superiônica de gelo. Mais ou menos na mesma época em que essa fase foi prevista pela primeira vez, a sonda Voyager 2 foi ao sistema solar externo e descobriu algo estranho nos campos magnéticos dos gigantes de gelo Urano e Netuno.
Os campos ao redor de outros planetas do sistema solar parecem ser compostos de pólos norte e sul bem definidos, sem nenhuma outra estrutura particular. Parece que eles contêm ímãs em barra alinhados com os eixos de rotação. Os planetologistas associam isso a "dínamos": regiões internas onde fluidos condutores sobem e giram conforme o planeta gira, criando enormes campos magnéticos.
Em contraste, os campos magnéticos que emanavam de Urano e Netuno pareciam mais pesados e complexos, com mais de dois pólos. Eles também não se alinhavam perto da rotação de seus planetas. Uma maneira de fazer isso é confinar de alguma forma o fluido condutor responsável pelo dínamo a apenas uma fina camada externa do planeta, em vez de permitir que penetre no núcleo.
Mas a ideia de que esses planetas poderiam ter núcleos sólidos que não poderiam gerar dínamos não parecia realista. Se você perfurar esses gigantes de gelo, deverá primeiro encontrar uma camada de água iônica que fluirá, conduzirá correntes e participará de um dínamo. Parece que um material ainda mais profundo, mesmo em temperaturas mais altas, também será líquido, mas isso é ingênuo. Cientistas planetários contam uma piada que as entranhas de Urano e Netuno não podem ser sólidas de forma alguma. Mas descobriu-se que eles podem.
Gelo explodindo
Coppari, Millo e sua equipe montaram as peças do quebra-cabeça.
Em um experimento anterior publicado em fevereiro de 2018, os físicos obtiveram evidências circunstanciais da existência de gelo superiônico. Eles espremeram uma gota de água em temperatura ambiente entre as pontas de dois diamantes lapidados. Quando a pressão subiu para cerca de um gigapascal, o que é cerca de 10 vezes mais do que no fundo da Fossa das Marianas, a água se transformou em um cristal tetragonal, o gelo-VI. Com 2 gigapascals, ele se transformou em Ice-VII, uma forma mais densa e cúbica que é transparente a olho nu, que os cientistas descobriram recentemente que também existem em pequenos bolsos dentro de diamantes naturais.
Então, usando um laser OMEGA no Laser Energy Lab, Millo e seus colegas miraram no Ice-VII, ainda imprensado entre bigornas de diamante. Quando o laser atingiu a superfície do diamante, ele vaporizou o material para cima, essencialmente jogando o diamante na direção oposta e enviando uma onda de choque através do gelo. A equipe de Millo descobriu que o gelo supercomprimido derreteu a cerca de 4.700 graus Celsius, como esperado para o gelo superiônico, e que conduziu eletricidade através do movimento de prótons carregados.
Depois que as previsões sobre as propriedades do gelo superiônico foram confirmadas, um novo estudo de Coppari e Millo deveria ter confirmado sua estrutura. Se você deseja confirmar a natureza cristalina, você precisa de difração de raios-X.
Seu novo experimento perdeu ice-VI e ice-VII por completo. Em vez disso, a equipe simplesmente esmagou a água entre as bigornas de diamante com tiros de laser. Bilhões de segundo depois, quando as ondas de choque penetraram e a água começou a se cristalizar em cubos de gelo nanométricos, os cientistas adicionaram mais 16 feixes de laser para vaporizar um pedaço fino de ferro próximo à amostra. O plasma resultante inundou a água cristalizada com raios-X, que então difrataram dos cristais de gelo e permitiram à equipe distinguir sua estrutura.
Os átomos na água se reorganizaram na arquitetura há muito prevista, mas nunca antes vista, gelo-XVIII: uma estrutura cúbica com átomos de oxigênio em cada canto e no centro de cada face.
E esse tipo de validação cruzada bem-sucedida de simulações e gelo superiônico real sugere que o “sonho” final dos pesquisadores de física material pode em breve ser alcançado. “Você me diz quais propriedades do material você deseja, nós vamos a um computador e teoricamente descobrimos que tipo de material e que tipo de estrutura cristalina você precisa”, diz Raymond Janloz, um cientista da Universidade da Califórnia, Berkeley.
A nova análise também indica que, embora o gelo superiônico conduza alguma eletricidade, ele é solto, mas sólido. Ele se espalhará gradualmente, mas não fluirá. Assim, as camadas líquidas dentro de Urano e Netuno podem parar cerca de 8.000 quilômetros para o interior, onde um enorme manto de gelo superiônico instável começará. Isso limita a maior parte da ação do dínamo em profundidades menores, dados os campos incomuns dos planetas.
Outros planetas e luas do sistema solar provavelmente não têm as temperaturas e pressões internas que permitiriam a existência de gelo superiônico. Mas a multidão de exoplanetas do tamanho dos gigantes de gelo sugere que essa substância - gelo superiônico - será distribuída em mundos de gelo por toda a galáxia.
Claro, nenhum planeta conterá água sozinha. Os gigantes de gelo em nosso sistema solar também são misturados com metano e amônia. Até que ponto o comportamento superiônico realmente encontra lugar na natureza "dependerá se essas fases existem quando misturamos água com outros materiais", dizem os cientistas. No entanto, a amônia superiônica também deve existir.
Os experimentos continuam. Você acha que um dia descobriremos o que está no centro dos maiores corpos de nosso sistema solar?
Ilya Khel
