Cientistas derreteram um diamante, mas não aconteceu como esperavam

Nos filmes de assaltos, os diamantes podem ser chamados de «gelo», mas estes dois sólidos têm, na realidade, pouco em comum.

Desde a disposição dos seus átomos até à própria forma como se formam - o diamante sob calor e pressão intensos nas profundezas da Terra, o gelo com o frio - é difícil encontrar duas substâncias que sejam tão diferentes apesar de parecerem superficialmente semelhantes.

Por isso, poderá surpreender saber que o diamante - o mineral natural mais duro conhecido na Terra - consegue derreter.

Contudo, segundo uma equipa de físicos liderada por Marius Millot, do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), nos EUA, até este processo decorre de uma forma muito estranha.

Em termos simples, o material conserva a sua conhecida estrutura cristalina de diamante até ao instante em que derrete, quando os seus átomos de carbono entram numa disposição desordenada.

«Pensamos que isso acontece porque a amostra não tem tempo para se transformar quando é sujeita apenas a um único choque», afirma Millot. «Fica “presa” na estrutura do diamante.»

Uma ilustração de diamante cúbico a derreter e a transformar-se em carbono líquido. (James Wickboldt/LLNL)

Como o diamante derrete sob pressão extrema

Derreter um diamante está longe de ser simples, embora vários ensaios o tenham conseguido ao longo dos anos. Em 2007, uma equipa de cientistas comunicou ter derretido diamante usando um laser para lhe aplicar uma onda de choque a uma pressão de 750 gigapascais - mais do dobro da pressão ambiente no núcleo interno da Terra e 7,4 milhões de vezes a pressão atmosférica ao nível do mar.

Experiências posteriores, descritas num artigo de 2009 e lideradas pelo físico do LLNL Jon Eggert, mediram directamente a temperatura de fusão do diamante.

No entanto, à medida que os cálculos teóricos se aperfeiçoaram, surgiu um problema: a temperatura de fusão obtida experimentalmente diferia das previsões da mecânica quântica em cerca de 20 por cento.

«Independentemente do que os teóricos fizessem - mesmo recorrendo às técnicas mais avançadas de simulação computacional - não conseguiam reproduzir as experiências», diz Millot.

Entretanto, outra questão continuava sem resposta. A teoria previa que, por volta de um terapascais, a rede atómica rigidamente ordenada do diamante deveria alterar-se temporariamente para uma forma de carbono chamada BC8, antes de derreter por completo.

Experiências anteriores chegaram mesmo a ser interpretadas como evidência dessa transição acima de cerca de 900 gigapascais. Porém, simulações mais recentes indicam que a formação de BC8 poderá ser demasiado difícil durante uma compressão rápida.

Embora o estudo de 2009 tenha demonstrado a fusão do diamante a pressões até 1,1 terapascais, a experiência não tinha sensibilidade suficiente para determinar se a fase BC8 prevista surgia durante o processo.

Nos anos desde então, a tecnologia para observar matéria nestas condições extremas e fugazes melhorou consideravelmente. Assim, Millot e a sua equipa voltaram a investigar a questão.

Um alvo de diamante no centro de um disparo laser OMEGA concebido para estudar diamante sob pressão extrema. A luz branca intensa é plasma produzido durante a experiência. (Eugene Kowaluk/LLE)

Recorrendo à instalação laser OMEGA da Universidade de Rochester, os investigadores usaram pulsos laser potentes para impulsionar ondas de choque através de pequenas amostras de diamante, produzindo pressões entre 600 gigapascais e 1,8 terapascais.

Em simultâneo, a equipa mediu a velocidade de propagação do choque, a temperatura e a reflectividade do diamante e, sobretudo, utilizou raios X para observar as mudanças na estrutura cristalina.

«Conseguimos recolher pequenas amostras de diamante e comprimi-las por choque até temperaturas superiores às da superfície do Sol e pressões maiores do que as do centro de Neptuno e de Urano - e ainda medir a estrutura atómica, a temperatura, a densidade e a reflectividade óptica», diz Millot.

As novas medições resolveram o problema da temperatura.

Situaram a temperatura de fusão do diamante em cerca de 7.300 kelvin e 1 terapascais, um valor significativamente inferior ao das antigas medições experimentais e em boa concordância com os cálculos teóricos que persistentemente não coincidiam com o resultado anterior.

«Embora tenha sido frustrante descobrir que as nossas medições originais de temperatura estavam erradas por mais de 1.000 graus, é entusiasmante verificar uma melhoria tão drástica na qualidade dos dados com os nossos novos métodos de diagnóstico», afirma Eggert.

A montagem experimental e as medições de difracção de raios X do diamante sob pressão crescente. O sinal de difracção do diamante sujeito ao choque enfraquece à medida que a pressão aumenta, desaparecendo quando o diamante derrete. (Millot et al., Nature Physics, 2026)

A estrutura cristalina do diamante durante a fusão

Os raios X também mostraram o que aconteceu à estrutura cristalina do diamante enquanto derretia - e é aqui que a situação se torna particularmente interessante.

À medida que os investigadores aumentavam a pressão, o sinal de difracção de raios X do diamante ficava progressivamente mais fraco, revelando que restava cada vez menos diamante cristalino à medida que ocorria a fusão, até o sinal desaparecer por inteiro.

Mas, enquanto a equipa ainda conseguia detectar uma estrutura atómica, esta mantinha a conhecida rede cristalina cúbica. Os investigadores não encontraram sinais de uma fase BC8 substancial: o diamante sólido e o carbono líquido coexistiram simplesmente até o processo terminar.

Os autores propõem que isto se deve provavelmente a mecanismos sugeridos por simulações anteriores. Embora o carbono possa preferir a fase BC8 às pressões em causa, alcançá-la exige quebrar e reorganizar as ligações de carbono extremamente fortes do diamante - um processo energeticamente exigente.

Nas condições breves da experiência, o diamante parece derreter antes que essa transformação possa acontecer.

E, curiosamente, é neste ponto que o diamante começa afinal a comportar-se um pouco como o gelo.

Sob estas pressões extremas, o diamante sólido é menos denso do que o carbono líquido no qual derrete - tal como o gelo comum é menos denso do que a água líquida.

Isto significa que o diamante sólido poderia flutuar numa poça de carbono fundido. Produz também outro efeito contraintuitivo: numa parte do intervalo de fusão, aumentar a pressão baixa efectivamente a temperatura a que o diamante derrete.

O que a fusão do diamante revela sobre planetas e fusão nuclear

Tudo isto é muito interessante e invulgar, mas tem também aplicações práticas.

Experiências deste tipo podem revelar-nos informações sobre o interior de gigantes gelados como Urano e Neptuno, onde o carbono poderá estar sujeito a condições de pressão e temperatura semelhantes às recriadas na experiência.

Mais perto de nós, porém, o diamante é usado em alvos para experiências de fusão por confinamento inercial, nas quais minúsculas cápsulas de combustível são comprimidas sob pressões igualmente enormes. Por conseguinte, dados mais precisos sobre o comportamento do carbono quando esses alvos implodem poderiam melhorar os modelos computacionais utilizados para conceber experiências de fusão.

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De facto, em simulações que incorporaram o modelo actualizado de carbono, os investigadores verificaram que o ganho previsto de energia de fusão poderia aumentar até três vezes.

«O nosso trabalho indica que poderíamos usar choques iniciais ligeiramente mais lentos e ainda assim obter a fusão completa do diamante nas nossas implosões da NIF», diz Millot.

«Isto é entusiasmante porque um choque mais lento deste tipo tornaria o combustível de fusão mais compressível. Por sua vez, isso aumenta o rendimento energético máximo que poderíamos obter com a mesma energia laser.»

A investigação foi publicada na Nature Physics.

Este artigo foi verificado por Fiona MacDonald e editado por Fiona MacDonald. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detectar um erro, informe-nos.