Cientistas criam gelo superiônico estranho que pode explicar o interior de Netuno e Urano

Nas profundezas de Netuno e Urano, a água não se parece em nada com a substância que enche uma forma de gelo. Sob as pressões e temperaturas colossais do interior desses planetas, ela entra em um estado bizarro conhecido como gelo superiônico — uma fase na qual os átomos de oxigênio se fixam em uma grade sólida rígida enquanto os núcleos de hidrogênio vagam por essa grade como um líquido. Como esses núcleos de hidrogênio móveis podem transportar carga, o material conduz eletricidade, uma propriedade que pode estar ligada aos estranhos campos magnéticos que envolvem ambos os gigantes de gelo.

Os pesquisadores há muito sabem que esse gelo quente e condutor deveria existir. O que eles não sabiam era exatamente quais estruturas cristalinas ele adota sob condições planetárias. Como nenhuma sonda pode extrair uma amostra de Netuno e trazê-la de volta à Terra, uma equipe liderada por Alexis Forestier no CEA, a Comissão Francesa de Energias Alternativas e Energia Atômica, fez a segunda melhor coisa: reconstruiu essas condições extremas dentro de um laboratório e observou o que o gelo fazia.

Recriando em miniatura o interior de um gigante de gelo

A abordagem experimental da equipe baseou-se em um dispositivo chamado célula de bigorna de diamante, que prende uma amostra microscópica entre duas pontas de diamante ultraduras e depois as comprime. Essa configuração permite aos pesquisadores gerar pressões que não existem naturalmente em nenhum lugar da superfície da Terra. Neste caso, os cientistas levaram suas amostras de gelo a até 230 gigapascais — mais de dois milhões de vezes a pressão da atmosfera terrestre ao nível do mar.

A pressão sozinha era apenas metade da receita. Para imitar o calor escaldante de um interior planetário, os pesquisadores dispararam lasers contra o gelo preso, elevando sua temperatura acima de 1.800 Kelvin. Nessa combinação de força esmagadora e calor extremo, a amostra entrou no regime superiônico.

Para determinar o que estava acontecendo dentro da pequena célula, a equipe recorreu à difração de raios X na Instalação Europeia de Radiação Síncrotron. Essa técnica revela como os átomos se organizam ao medir como os raios X se espalham pela amostra, dando efetivamente aos cientistas uma imagem da rede cristalina sem nunca tocá-la. Os resultados, publicados na revista revisada por pares Physical Review Letters, mostraram algo que os pesquisadores não haviam determinado anteriormente.

Um material com personalidade dividida

O gelo superiônico é notável porque se comporta como dois estados da matéria ao mesmo tempo. Seus átomos de oxigênio ocupam posições fixas, formando um esqueleto cristalino que permanece no lugar. Enquanto isso, os núcleos de hidrogênio — os prótons que normalmente estariam ligados em moléculas de água — tornam-se móveis, migrando através da estrutura de oxigênio assim como os íons se movem através de um eletrólito líquido.

Essa divisão de trabalho é o que torna a fase tão incomum. A rede sólida de oxigênio dá ao material uma estrutura e forma definidas, enquanto o hidrogênio em fluxo fornece condutividade elétrica. No interior de um planeta, uma camada desse material poderia se comportar de maneira muito diferente do gelo de água comum, alterando como o calor se move, como o material se deforma ao longo do tempo e como as correntes elétricas circulam.

Até agora, porém, os cientistas não tinham uma resposta clara sobre a geometria desse esqueleto de oxigênio. Diferentes arranjos cristalinos — cúbico, hexagonal e outros — implicam propriedades físicas diferentes, então identificar o correto importa para qualquer modelo do que acontece dentro de um gigante de gelo.

Empacotamento hexagonal assume o controle em pressão extrema

As medições do síncrotron forneceram uma resposta definitiva para as condições testadas. Acima de aproximadamente 200 gigapascais e 1.800 Kelvin, os átomos de oxigênio se acomodaram em um arranjo hexagonal compacto, abreviado hcp. Nessa janela de pressão-temperatura, essa forma hexagonal tornou-se a fase dominante do gelo superiônico, deslocando a estrutura cúbica de face centrada, ou fcc, que se esperava que prevalecesse.

Os autores foram explícitos sobre a importância da descoberta, escrevendo que relatam "a observação inequívoca de uma nova fase de gelo H2O adotando uma sub-rede de oxigênio hcp". Em outras palavras, não se trata de um refinamento sutil de um quadro existente, mas da identificação de um arranjo distinto dos átomos de oxigênio da água sob condições relevantes para planetas reais.

A descoberta surgiu de duas execuções experimentais separadas, e a equipe mapeou suas medições em um diagrama de pressão-temperatura mostrando exatamente onde cada fase aparece. Esse tipo de mapa de limites é o que permite a outros pesquisadores prever qual versão do gelo deve ser estável em uma dada profundidade dentro de um planeta.

Por que a estrutura cristalina pode importar para os campos magnéticos

O ganho prático deste trabalho está na ciência planetária. Netuno e Urano são ambos classificados como gigantes de gelo, e ambos possuem campos magnéticos muito mais complexos que o da Terra. Seus campos não estão alinhados de forma organizada com os eixos de rotação dos planetas, e o ambiente magnético ao redor deles é caótico em comparação com o dipolo arrumado que protege nosso próprio planeta.

Uma das principais explicações envolve as camadas profundas do interior, onde se acredita que o gelo superiônico exista. Como o material conduz eletricidade, correntes em movimento dentro dele poderiam gerar campos magnéticos. A estrutura cristalina precisa do gelo afeta a facilidade com que a corrente flui e em quais direções, então determinar se a rede de oxigênio é hexagonal ou cúbica muda os dados de entrada desses modelos.

Ao estabelecer que o gelo hcp domina acima de 200 gigapascais e 1.800 Kelvin, a equipe liderada pelo CEA deu aos teóricos uma base mais firme para simular os interiores desses mundos distantes — e para explicar por que seus campos magnéticos se comportam como se comportam.

Questões que permanecem em aberto

O experimento captura uma fatia específica do espaço de pressão e temperatura, gerada em curtos intervalos de tempo de laboratório em amostras muito menores que um planeta. Preencher essa lacuna até os interiores planetários completos exige modelagem, e o diagrama de pressão-temperatura da equipe é melhor entendido como um guia para essa modelagem do que como uma descrição completa de Netuno ou Urano.

Ainda assim, o resultado torna mais nítido um quadro que era nebuloso. Os cientistas agora têm evidência direta de qual estrutura cristalina a água superiônica prefere sob condições de gigantes de gelo, e têm um alvo claro para a próxima rodada de experimentos e simulações.

Principais conclusões

• Uma equipe liderada por Alexis Forestier no CEA, na França, recriou em laboratório as condições do interior de um gigante de gelo usando uma célula de bigorna de diamante.
• O gelo foi aquecido acima de 1.800 Kelvin e submetido a pressões de até 230 gigapascais, mais de dois milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra.
• A difração de raios X na Instalação Europeia de Radiação Síncrotron mostrou átomos de oxigênio formando uma rede hexagonal compacta.
• Acima de aproximadamente 200 gigapascais e 1.800 Kelvin, essa fase hexagonal tornou-se dominante, substituindo a fase cúbica de face centrada.
• As descobertas, publicadas na Physical Review Letters, podem ajudar a explicar os campos magnéticos incomuns e as camadas profundas do interior de Netuno e Urano.

Este artigo é baseado em reportagem do Phys.org. Leia o artigo original.