A mais recente investigação computacional da Carnegie Institution for Science mostra que nos interiores profundos de gigantes gelados como Urano e Neptuno, os elementos comuns carbono e hidrogénio podem existir numa forma sem precedentes. Espera-se que este novo estado da matéria remodele a compreensão da comunidade científica sobre a estrutura interna dos planetas e o mecanismo de formação dos campos magnéticos.
A pesquisa foi liderada por Cong Liu e Ronald Cohen, da Carnegie Institution for Science, e os resultados relevantes foram publicados na revista Nature Communications. Usando computação de alto desempenho e partindo dos primeiros princípios da mecânica quântica, eles simularam sistematicamente o comportamento de hidrocarbonetos simples (a fórmula química é CH, ou seja, hidrocarbonetos) sob condições extremas de alta pressão e alta temperatura.
Urano e Netuno são classificados como “gigantes de gelo”. As observações e modelos existentes mostram que as estruturas internas destes dois planetas podem ser divididas aproximadamente em três camadas: a camada mais externa é uma atmosfera de hidrogénio-hélio, imprensada por uma espessa camada de “gelo quente”, e a camada mais interna é um núcleo denso composto de rochas e metais. A comunidade científica geralmente acredita que estes “gelos quentes” são compostos principalmente de água (H₂O), metano (CH₄) e amônia (NH₄); mas sob pressão e temperatura extremas, essas substâncias apresentarão estruturas e propriedades completamente diferentes da temperatura e pressão normais.
As simulações de Cong Liu e Cohen cobriram uma faixa de pressão de cerca de 500 a 3.000 gigapascais (equivalente a 5 milhões a 30 milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra) e uma faixa de temperatura de cerca de 4.000 a 6.000 Kelvin (cerca de 6.740 a 10.340 graus Celsius), condições comparáveis às das profundezas dos planetas gigantes gelados. Os resultados mostram que sob tais condições do interior do planeta, os hidrocarbonetos podem formar um composto com uma estrutura hexagonal: o carbono forma cadeias espirais no exterior e o hidrogénio forma cadeias espirais no interior e migra direcionalmente ao longo destes caminhos espirais.
Nesta estrutura, o material exibe o chamado "estado superiônico quase unidimensional". As substâncias superiônicas são um estado especial entre sólidos e líquidos: alguns átomos na rede cristalina permanecem ordenados no estado sólido, enquanto outros átomos podem se mover livremente na rede cristalina como um líquido. A pesquisa mostra que nesta nova fase, o esqueleto de carbono mantém uma estrutura cristalina hexagonal ordenada, enquanto os átomos de hidrogênio se movem principalmente direcionalmente ao longo de canais espirais predefinidos, em vez de se difundirem isotropicamente no espaço tridimensional.
Cohen destacou que a razão pela qual esta fase carbono-hidrogênio recentemente prevista é “especialmente atraente” é que seu movimento atômico não é completamente tridimensional, mas é fortemente inclinado para certos caminhos espirais específicos. Esta característica de migração altamente direcional é muito rara em materiais planetários. Este comportamento superiônico "quase unidimensional" significa que a forma como o calor e a carga são transportados dentro de tais materiais pode ser muito diferente da compreensão tradicional dos fluidos isotrópicos de alta temperatura.
Esta descoberta tem múltiplas implicações potenciais para a ciência planetária. Em primeiro lugar, a migração direcional do hidrogênio na rede cristalina afetará diretamente a condutividade térmica e a condutividade elétrica do material profundo, alterando assim a forma como a energia interna do planeta é transferida da camada profunda para a camada externa. Em segundo lugar, esta propriedade condutora anormal pode estar relacionada com a forma especial do campo magnético dos planetas gigantes gelados, o que ajuda a explicar as características observacionais mais distorcidas e excêntricas das estruturas do campo magnético de Urano e Netuno em comparação com a Terra e os planetas gigantes gasosos (como Júpiter e Saturno).
Nos últimos anos, o número de exoplanetas confirmados ultrapassou os 6.000 e continua a crescer, impulsionando uma colaboração cruzada mais estreita na astronomia, nas ciências planetárias e nas ciências da terra. Através de uma combinação de observações, experimentos e simulações teóricas, os pesquisadores tentam caracterizar o estado material e os processos físicos dentro do planeta, incluindo o mecanismo de geração do campo magnético e a evolução de estruturas em camadas profundas. Modelar as regiões “invisíveis” nas profundezas dos planetas e luas do sistema solar não só ajudará a compreender o comportamento destes próprios corpos celestes, mas também deverá fornecer pistas para questões como a habitabilidade extraterrestre.
Liu Cong apontou que o carbono e o hidrogénio são um dos dois elementos mais comuns nos materiais planetários, mas o comportamento desta simples combinação de elementos sob condições semelhantes às dos planetas gigantes está longe de ser totalmente compreendido. Este trabalho mostra que mesmo os sistemas químicos mais básicos podem desenvolver estruturas cristalinas e dinâmicas complexas e inesperadas sob pressão e temperatura extremas, expandindo os limites da compreensão dos pesquisadores científicos sobre o mundo material de alta pressão.
Além de sua importância na física planetária, este material com fortes propriedades de transporte direcional também pode encontrar perspectivas de aplicação nos campos mais amplos da ciência e engenharia de materiais. Por exemplo, em cenários que exigem condutividade elétrica ou térmica altamente anisotrópica, espera-se que este tipo de material superiônico se torne um modelo teórico para novos materiais funcionais, fornecendo novas ideias para o futuro design de energia e dispositivos eletrônicos.