Resumo:
Gelo geralmente significa baixa temperatura, mas os cientistas confirmaram agora que em ambientes de pressão extremamente alta, a água pode formar um tipo especial de "gelo" que ainda existe em temperaturas superiores a 2.000°C. Uma equipe de pesquisa francesa criou recentemente com sucesso um novo tipo de gelo em laboratório que anteriormente era teoricamente previsto que existia - gelo superiônico hexagonal compactado. Este material não é completamente sólido como o gelo comum nem pode fluir livremente como o líquido, e a sua estrutura única pode ajudar a explicar os campos magnéticos invulgarmente complexos no interior de planetas gigantes gelados como Urano e Neptuno.
A água é uma das substâncias mais comuns na Terra e é indispensável para a vida. No entanto, do ponto de vista físico e químico, a água tem, na verdade, muitas propriedades muito anormais. Por exemplo, o volume da água líquida comum se expandirá quando congelar. A densidade do gelo é inferior à da água líquida; a água também tem tensão superficial e ponto de ebulição excepcionalmente altos. Se calculado puramente com base no peso molecular das moléculas de água, seria ainda mais provável que a água existisse na forma de um gás à temperatura ambiente.
Quando o ambiente se desloca da superfície da Terra para o interior do planeta, ao mesmo tempo que impõe temperaturas e pressões extremas, a água comporta-se de formas ainda mais peculiares. Desta vez, os pesquisadores simularam as condições extremas dentro de Urano e Netuno em laboratório e capturaram diretamente a estrutura cristalina do gelo superiônico hexagonal compactado pela primeira vez.
O chamado "gelo superiônico" é um estado especial da matéria entre os sólidos e os líquidos tradicionais. Quando a água é submetida a enormes pressões de milhões de atmosferas, o material é capaz de manter uma estrutura sólida, mesmo em temperaturas muito altas. Neste estado, as moléculas de água completas no sentido tradicional não existem mais. Os átomos de oxigênio são fixados na posição da rede cristalina, enquanto os núcleos de hidrogênio podem se mover rapidamente entre a rede cristalina composta por átomos de oxigênio, como partículas no líquido.
Portanto, de uma perspectiva macroscópica, esta substância tem algumas características tanto do sólido quanto do líquido: os átomos de oxigênio formam uma rede sólida estável, enquanto os átomos de hidrogênio são altamente móveis. Esta estrutura única também torna o gelo superiônico altamente condutivo.
Para criar esta substância extrema, os investigadores colocaram uma pequena amostra de água entre duas pontas de diamante e depois aplicaram gradualmente uma pressão de até 2,3 milhões de atmosferas. Para efeito de comparação, a pressão no núcleo da Terra é de cerca de 3,6 milhões de atmosferas. Os pesquisadores então usaram lasers de alta potência para aquecer a água comprimida a uma temperatura de 2.630 Kelvin, ou aproximadamente 2.357°C.
Sob essas condições extremas, os pesquisadores usaram raios X de radiação síncrotron de alta energia para realizar varreduras detalhadas das amostras e observar as mudanças estruturais da água em ambientes de alta temperatura e alta pressão em escala atômica. O experimento finalmente capturou cristais de gelo superiônicos nos quais os átomos de oxigênio estão dispostos em uma estrutura hexagonal compacta, ou seja, uma estrutura hcp.
O experimento também revelou o processo pelo qual essa estrutura é formada. À medida que a pressão e a temperatura continuam a aumentar, a estrutura cúbica de face centrada, ou FCC, originalmente formada, não permanecerá estável para sempre. O deslizamento ocorrerá gradualmente entre as diferentes camadas dentro do cristal e, eventualmente, a estrutura original será completamente transformada em uma estrutura hexagonal compacta mais estável, formando assim o gelo superiônico hcp que tem sido o foco de previsões teóricas antes.
O significado desta descoberta não é apenas a criação de "gelo com mais de 2.000 graus Celsius". Os cientistas há muito acreditam que pode haver enormes camadas de gelo superiônico dentro dos planetas gigantes gelados, como Urano e Netuno, e a condutividade especial deste material pode estar intimamente relacionada aos campos magnéticos extremamente incomuns dos dois planetas.
Os campos magnéticos de Urano e Netuno são significativamente diferentes daqueles da Terra. O campo magnético da Terra forma aproximadamente uma estrutura relativamente regular em torno do eixo de rotação do planeta, mas os campos magnéticos de Urano e Netuno são significativamente desviados do centro e do eixo de rotação do planeta, e suas estruturas são complexas e assimétricas. Os cientistas sugeriram anteriormente que a área que gera este campo magnético anormal pode não estar localizada no núcleo do planeta, mas numa camada condutora composta por material de alta voltagem no seu interior.
O gelo superiônico tem uma propriedade muito importante: pode conduzir eletricidade. Como os núcleos de hidrogênio podem se mover livremente entre a rede fixa de átomos de oxigênio, este material é capaz de desenvolver propriedades elétricas e hidrodinâmicas completamente diferentes do gelo comum. Se tal camada de material existir dentro de Urano e Netuno, pode ser um dos fatores importantes que impulsionam os estranhos campos magnéticos dos dois planetas.
Os cientistas já obtiveram evidências da existência de gelo superiônico através de cálculos teóricos e outros experimentos de alta pressão, mas este experimento confirmou ainda que este material pode formar uma estrutura hexagonal compacta sob condições extremas. Os investigadores acreditam que este resultado significa que alguns modelos da estrutura interna, mecanismos de condução e fluxo de material de planetas gigantes gelados podem precisar de ser revistos.
Mais importante ainda, as condições de temperatura e pressão dentro de Urano e Neptuno não podem ocorrer naturalmente na superfície da Terra, pelo que as experiências com laser de alta tensão em laboratório tornaram-se um meio importante de estudar estes mundos distantes. Ao recriar os interiores planetários da Terra, os cientistas podem estudar diretamente estados da matéria que são inacessíveis às naves espaciais.
Os resultados da pesquisa foram publicados na Physical Review Letters. Para os cientistas planetários, a confirmação do gelo superiónico hexagonal compacto não só revela as formas complexas que a água pode assumir sob condições extremas, mas também fornece uma nova base física para a compreensão dos dois planetas gigantes mais distantes do sistema solar.
Em outras palavras, o chamado "gelo superior a 2.000°C" não significa que os cubos de gelo não derreterão em altas temperaturas no sentido comum, mas sim um estado completamente novo da matéria formado sob enorme pressão. Num tal ambiente, a água rompeu completamente com os comportamentos sólidos, líquidos e gasosos com os quais estamos familiarizados todos os dias, e assumiu uma estrutura estranha na qual os átomos de oxigénio são fixos e os átomos de hidrogénio se movem livremente. Esses estados extremos da matéria estão provavelmente escondidos nas profundezas de Urano e Netuno, a bilhões de quilômetros de distância.
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