Gelo superiónico revela uma estrutura com possíveis implicações para Úrano e Neptuno

A água é uma das substâncias mais comuns e essenciais no mundo humano.

Sem as suas propriedades de solvente quase universal, simplesmente não conseguiríamos funcionar. Cai do céu, bebemo-la, lavamo-nos com ela e mergulhamos nela por diversão.

Mas, quando encarada apenas como líquido, a água é extremamente invulgar: comporta-se de formas que contrariam por completo as de outros líquidos. Ao congelar, torna-se menos densa. A sua tensão superficial é estranhamente elevada, tal como o seu ponto de ebulição. E, tendo em conta o seu peso molecular, deveria ser um gás à temperatura ambiente.

Tudo isto acontece nas condições normais de temperatura e pressão à superfície da Terra.

Basta alterar um pouco a pressão e a temperatura para que o comportamento extravagante da água se torne ainda mais descontrolado.

Gelo superiónico em condições extremas

Os cientistas demonstraram agora a existência de uma das formas de gelo mais estranhas até hoje, sob pressões extraordinárias de até 2,3 milhões de atmosferas e temperaturas enormes de até 2630 kelvins (2357 graus Celsius).

A essas temperaturas, seria de esperar que a água estivesse inequivocamente no estado gasoso e que até se tivesse separado parcialmente nos átomos de oxigénio e hidrogénio que a constituem. No entanto, às pressões astronómicas existentes nas profundezas dos planetas, acontece algo de interessante.

Quando passa de líquido a gás, ou vapor, a água expande-se. Sob pressões esmagadoras de milhões de atmosferas, essa expansão é impedida. Em vez disso, a água pode manter uma densidade extraordinária e assumir formas exóticas, diferentes de qualquer gelo que encontremos à superfície da Terra.

Uma delas é o gelo superiónico, um estado da matéria profundamente invulgar que não é inteiramente sólido nem inteiramente líquido. Os seus átomos de oxigénio permanecem fixos numa rede cristalina rígida, como num sólido. Já os núcleos de hidrogénio são móveis e difundem-se por essa rede de um modo mais semelhante ao das partículas de um líquido.

Com conjuntos de condições ligeiramente diferentes, os átomos de oxigénio reorganizam-se em configurações distintas, conhecidas como fases. Conhecem-se mais de vinte fases de gelo de água, algumas das quais se tornam superiónicas em condições extremas. Os cientistas procuram constantemente outras.

E esta investigação não existe apenas pelo fascínio da estranheza. Pensa-se que haja gelo superiónico nas profundezas de Úrano e Neptuno, onde as suas propriedades invulgares poderão contribuir para gerar os campos magnéticos igualmente invulgares destes planetas.

Uma nova configuração do gelo superiónico

Nas novas experiências, uma equipa liderada pelo físico Alexis Forestier, da Comissão Francesa de Energias Alternativas e Energia Atómica, submeteu pequenas amostras de água ao tipo de condições extremas que se espera encontrar no interior dos planetas gigantes de gelo.

As amostras foram comprimidas entre as pontas de diamantes até atingirem pressões de 230 gigapascais, enquanto eram aquecidas por lasers a milhares de graus. Essa pressão corresponde a 2,3 milhões de vezes a pressão atmosférica terrestre ao nível do mar; para comparação, no centro da Terra a pressão ronda os 360 gigapascais.

Em seguida, a equipa usou um feixe extremamente estreito de raios X de sincrotrão para detetar alterações na estrutura cristalina do gelo.

O resultado revelou uma configuração prevista teoricamente, mas nunca antes observada de forma inequívoca em experiências: gelo com estrutura hexagonal compacta, ou hcp. À medida que o cristal hcp era aquecido, a sua expansão apresentou também um sinal de comportamento superiónico, sugerindo que tinha entrado nesse estado por volta dos 1700 kelvins.

O nome refere-se à disposição dos átomos de oxigénio. Imagine-se que se arrumam bolas idênticas em camadas: existem várias formas de empilhar essas camadas, mantendo as bolas tão compactas quanto possível.

Uma forma de gelo superiónico identificada anteriormente tem uma estrutura cúbica de faces centradas, ou fcc.

No gelo hcp agora identificado, as camadas empilham-se segundo uma sequência diferente. Os investigadores encontraram indícios de que uma estrutura se pode transformar na outra quando as camadas mudam de posição.

Esta transformação parece ocorrer à medida que as condições se tornam mais extremas.

A 155 gigapascais e 2000 kelvins, o sinal detetado pela análise com raios X era uma mistura de fcc e hcp.

Quando a pressão subiu para 197 gigapascais e a temperatura para 2250 kelvins, o sinal de hcp tornou-se mais forte em relação ao de fcc.

No conjunto final de condições - 219 gigapascais e 2630 kelvins -, o sinal de fcc tinha quase desaparecido e o de hcp predominava claramente.

Curiosamente, esta poderá não ter sido a primeira vez que os investigadores produziram gelo hcp.

Ao reverem os dados de uma experiência anterior, perceberam que um pico de difração de raios X, antes não identificado e observado acima dos 130 gigapascais, era provavelmente o sinal de gelo hcp. Simplesmente não o tinham reconhecido na altura.

Os resultados sugerem que, acima de aproximadamente 200 gigapascais, a estrutura hcp poderá tornar-se a configuração mais estável do gelo superiónico.

O que o gelo hcp poderá significar para Úrano e Neptuno

A alteração parece relativamente pequena - literalmente à escala atómica -, mas a diferença poderá ter grandes implicações para o Sistema Solar.

Se o gelo hcp conduzir eletricidade de forma diferente do gelo fcc, a sua presença nas profundezas de Úrano e Neptuno poderá alterar os modelos que descrevem o movimento de matéria e de carga elétrica no interior desses planetas. Pensa-se que esses processos estejam envolvidos na geração dos seus campos magnéticos estranhos, desordenados e assimétricos.

Ainda não conhecemos, porém, as propriedades do gelo hcp. Afinal, esta forma de gelo acaba de ser descoberta.

Os investigadores apelam à realização de mais trabalho teórico para esclarecer essas propriedades, em especial a sua plasticidade mecânica e a sua condutividade elétrica.

Serão também necessárias mais experiências para determinar exatamente em que condições extremas de pressão e temperatura o gelo hcp é estável em relação ao seu equivalente fcc.

A água é realmente estranha, e o gelo superiónico consegue ser ainda mais.

Os cientistas apenas começaram a explorar aquilo de que esta molécula insólita é capaz; de certa forma, parece apropriado que dependamos dela para nos mantermos vivos.

Mantém-te gelada, água. Ou quente. Faz como quiseres.

Os resultados foram publicados na revista Physical Review Letters.

Este artigo teve os factos verificados por Rachel Garner e foi editado por Rebecca Dyer. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, informe-nos.