Sob pressão equivalente a 2,3 milhões de atmosferas, água assumiu estrutura superiônica que pode ajudar a entender os campos magnéticos irregulares dos dois planetas
Uma equipe de físicos observou, em laboratório, uma forma de gelo que a teoria já previa, mas que nunca havia sido confirmada de maneira inequívoca em experimentos. A descoberta ocorre em condições de pressão e temperatura parecidas com as do interior de planetas como Urano e Neptuno, e ajuda a entender por que esses mundos têm campos magnéticos tão irregulares.
O estudo, liderado pelo físico Alexis Forestier, do Comissariado Francês de Energia Atômica e Energias Alternativas (CEA), foi publicado na Physical Review Letters. De acordo com reportagem do portal ScienceAlert, os pesquisadores usaram uma célula de bigorna de diamante para comprimir amostras minúsculas de água a até 230 gigapascals, o equivalente a 2,3 milhões de vezes a pressão atmosférica ao nível do mar. Para comparação, a pressão no centro da Terra é estimada em cerca de 360 gigapascals.
Ao mesmo tempo, lasers elevaram a temperatura das amostras a até 2.630 kelvins, ou 2.357°C. Nessas condições, a água não se comporta nem como líquido nem como vapor. Ela permanece extremamente densa e assume formas de gelo bem diferentes das que existem na superfície da Terra. Uma delas é o chamado gelo superiônico, um estado em que os átomos de oxigênio ficam presos em uma rede cristalina rígida, como em um sólido, enquanto os núcleos de hidrogênio se movem livremente por essa rede, como em um líquido.
Uma estrutura só vista na teoria até agora
Existem mais de vinte fases conhecidas do gelo, e algumas se tornam superiônicas sob condições extremas. Até este estudo, a única estrutura superiônica observada em experimentos tinha um arranjo chamado cúbico de face centrada, ou fcc, no qual os átomos de oxigênio se organizam em camadas empilhadas de determinada maneira.
Usando um feixe extremamente fino de raios X gerado por síncrotron, na linha de luz ID27 da Instalação Europeia de Radiação Síncrotron, em Grenoble, na França, os pesquisadores identificaram uma segunda estrutura, batizada de hexagonal compacta, ou hcp. A diferença está na sequência em que as camadas de oxigênio se acomodam. O arranjo hcp já havia sido previsto por cálculos teóricos, mas nunca tinha sido observado de forma inequívoca em laboratório.
Os dados mostram uma transição gradual entre as duas estruturas à medida que a pressão e a temperatura aumentam. A 155 gigapascals e 2.000 kelvins, o sinal de raios X indicava uma mistura de fcc e hcp. Subindo para 197 gigapascals e 2.250 kelvins, o sinal da estrutura hcp já era mais forte que o da fcc. No ponto mais extremo do experimento, 219 gigapascals e 2.630 kelvins, o sinal da fcc praticamente desapareceu e a estrutura hcp passou a dominar.
Segundo o artigo publicado pelo grupo, acima de 200 gigapascals a estrutura hcp se torna termodinamicamente mais estável que a fcc, em uma mudança de fase conhecida como transição martensítica, na qual os átomos se reorganizam sem que o material chegue a se fundir por completo. A equipe também revisou dados de um experimento anterior do mesmo grupo e percebeu que um sinal de raios X não identificado, registrado acima de 130 gigapascals, provavelmente já correspondia à estrutura hcp, sem que os cientistas soubessem à época.
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Modelos planetários apontam o gelo superiônico como um dos componentes do interior de Urano e Netuno, o que pode ajudar a explicar o magnetismo irregular desses planetas Uma equipe de físicos observou — Foto: PM Images/Getty Images
Pistas para o magnetismo de Urano e Neptuno
Modelos existentes apontam o gelo superiônico como um dos principais componentes do interior de Urano e Neptuno, os dois planetas classificados como gigantes de gelo. Ele é parte da explicação usada para os campos magnéticos desses planetas, que fogem do padrão observado na Terra, em Júpiter ou em Saturno, pois são desalinhados em relação ao eixo de rotação e não têm um formato simples de dipolo.
De acordo com o estudo, a estrutura hcp pode conduzir prótons de hidrogênio, e portanto eletricidade, de forma diferente da fcc, variando conforme a direção dentro do cristal. Se essa diferença também existir no interior dos planetas, ela pode alterar os modelos atuais sobre como o material e a carga elétrica se movem nessas camadas internas, processo associado à formação dos campos magnéticos peculiares de Urano e Neptuno.
Os próprios autores do estudo apontam que ainda faltam dados sobre propriedades físicas do gelo hcp, como sua plasticidade mecânica e sua condutividade elétrica exata. Eles defendem que novos trabalhos teóricos e experimentais são necessários para mapear com mais precisão em quais faixas de pressão e temperatura cada uma das estruturas de gelo permanece estável.
