Cientistas descobrem uma nova forma da água: líquida e sólida, ao mesmo tempo

Kenneth Chang

  • Getty Images

Cientistas confirmaram uma forma de água que é simultaneamente sólida e líquida. É o mais recente progresso no estudo da água, uma substância aparentemente simples que pode mudar entre muitas configurações.

"É um estado da matéria muito estranho", afirma Marius Millot, físico do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na Califórnia, principal autor de um estudo publicado em fevereiro na "Nature Physics" que descreve a experiência.

Essa nova forma, chamada água superiônica, consiste de uma estrutura rígida de átomos de oxigênio por meio da qual os núcleos de hidrogênio com carga positiva se deslocam. Ainda não se sabe se ela existe naturalmente na Terra, mas pode ser abundante no Sistema Solar, incluindo nos mantos da superfície de Urano e Netuno.

Nasa/The New York Times
Planeta Netuno, em imagem feita pela Voyager 2, em 1989

A forma mais comum

A água é uma molécula simples – dois hidrogênios ligados a um oxigênio. Os três átomos normalmente se agrupam em formato de "V". No gelo comum encontrado na Terra, os "vês" se conectam em uma estrutura aerada – é por isso que a água, ao contrário da maioria das substâncias, se expande ao congelar.

Quando espremidos, os hidrogênios e oxigênios se embaralham em outras estruturas cristalinas; os cientistas agora conhecem mais de uma dúzia de formas de gelo.

Teóricos sugeriram há 30 anos que a água superiônica poderia existir em condições de extrema pressão e temperatura quente. O calor derrete as ligações químicas entre os átomos de hidrogênio e oxigênio. A pressão alta mantém os átomos de oxigênio, maiores e mais pesados, sobrepostos em um alinhamento cristalino – um sólido – enquanto o núcleo ou íons de hidrogênio, flutuam – um líquido.

Isso a transforma em um condutor de eletricidade como um metal, mas a corrente é transportada por íons de carga positiva e não por elétrons de carga negativa.

"É como se a água do gelo estivesse parcialmente derretida", diz Raymond Jeanloz, professor de Ciências da Terra e Planetária da Universidade da Califórnia, campus de Berkeley, e um dos autores do estudo publicado em "Nature Physics".

Benoit Tessier/Reuters

No novo experimento, cientistas do Lawrence Livermore pressionaram água entre dois pedaços de diamante com uma pressão de 25 mil quilogramas-força por centímetro quadrado. Isso é quase 25 mil vezes maior do que o ar pressionando uma pessoa aqui na superfície da Terra, e a água é espremida em um tipo de gelo conhecido como gelo VII, que é cerca de 60 por cento mais denso que a água comum, e sólido à temperatura ambiente.

A seguir, os pesquisadores levaram o gelo comprimido, embalado em bagagem de mão, para a Universidade de Rochester, Estados Unidos, onde foi bombardeado por um pulso de luz laser. A luz provocou ondas de choque pelo gelo que duraram de dez a 20 bilionésimos de segundo, elevando-o a milhares de graus de temperatura e exercendo uma pressão de mais de um milhão de vezes a da atmosfera da Terra. Tais condições existem dentro de Urano e Netuno e, indubitavelmente, dentro de diversos gigantes gelados ao redor de outras estrelas.

Teste já tinha sido tentado antes

Experiências anteriores realizadas por outros grupos produziram água condutiva que poderia ser superiônica, mas esses cientistas não conseguiram determinar se a corrente estava carregada por íons e não por elétrons. No presente caso, Millot e colegas puderam capturar a aparência óptica do gelo. Se existissem elétrons em movimento, ele seria refletivo; é por isso que metais são brilhantes. Caso contrário, a amostra seria opaca. A experiência revelou íons em movimento, indicando gelo superiônico.

O gelo superiônico virou líquido a uma temperatura de 4.700 graus Celsius.

"É um experimento incrível e os resultados são uniformes" com as previsões teóricas e computacionais, afirma Roberto Car, professor de Química da Universidade de Princeton.

Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Netuno e Urano têm chuvas de diamantes em sua atmosfera

O gelo superiônico poderia ajudar a explicar os campos magnéticos assimétricos fora do centro de Urano e Netuno, sétimo e oitavo planetas do sistema solar que são conhecidos como gigantes de gelo e foram visitados brevemente pela sonda Voyager 2 da Nasa na década de 1980. Em vez de um campo magnético gerado no centro do planeta, os campos desses corpos gelados podem se originar, em parte, dentro de invólucros de gelo superiônico no interior de seus mantos.

Jeanloz afirma que a concordância entre experimento e previsão oferece a promessa de que os cientistas estão começando a compreender a física básica de como as moléculas em geral se comportam sob temperaturas e pressões cambiantes para ter uso prático.

"Quando se começa a comprovar tais previsões, temos a esperança de que alguém comece a pensar em criar novos materiais em que se diz quais propriedades são desejadas e outra pessoa pode utilizar um computador para definir que tipo de material, que tipo de elementos são necessários combinar, e como eles teriam de ser mesclados para oferecer tais propriedades", diz Jeanloz.

Car, um dos cientistas que têm explorado o gelo superiônico em simulações computadorizadas, sugeriu que podem existir vários tipos desse gelo, com átomos de oxigênio se arranjando em estruturas cristalinas diversas a pressões ainda mais elevadas. Tal hipótese seria difícil de testar, mas ele está impressionado que a teoria tenho sido posta à prova.

"Nunca me canso de me surpreender com a engenhosidade dos experimentadores" ao bolar formas de se criar condições extremas que produzam algo como gelo superiônico e as mensurações complicadas para verificar o resultado, acrescenta.

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