Quando a água é exposta a temperaturas de vários milhares de graus Celsius e a pressões que atingem milhões de atmosferas, ela sofre uma transformação dramática. Sob estas condições extremas, a água entra num estado raro conhecido como água superiónica.* Nesta forma, os átomos de oxigénio ficam presos numa estrutura rígida, enquanto os iões de hidrogénio se movem livremente por toda a estrutura, criando um comportamento diferente do gelo comum ou da água líquida.
Esta fase incomum da água conduz eletricidade excepcionalmente bem, tornando-a uma forte candidata para explicar os estranhos campos magnéticos observados em torno dos planetas gigantes gelados. Pensa-se que Urano e Neptuno contêm grandes quantidades de água nas profundezas do seu interior, o que significa que a água superiónica pode ser a forma dominante de água em grande parte do Sistema Solar.
O antigo mistério da estrutura da água superiônica
Os cientistas já conseguiram criar água superiônica em experimentos de laboratório, mas sua estrutura interna permaneceu pouco compreendida. Pesquisas anteriores mostraram que os átomos de oxigênio podem se organizar em um de dois padrões cúbicos simples. Estes incluíam o arranjo cúbico de corpo centrado, onde o átomo extra está no meio do cubo, ou o arranjo cúbico de face centrada, onde os átomos ocupam os centros de cada face.
Um novo estudo mostra que a realidade é muito mais complexa. Em vez de formar um padrão único e ordenado, os átomos de oxigênio são montados em uma estrutura mista que combina regiões cúbicas de face centrada com camadas hexagonais compactas. Nas regiões hexagonais, os átomos estão compactados em padrões hexagonais repetidos. Quando essas regiões se fundem com as seções cúbicas, o resultado é uma extensa desordem estrutural. Em vez de uma rede pura e repetitiva, os átomos formam um padrão híbrido e irregular que só pode ser detectado com técnicas de medição extremamente precisas possibilitadas por avançados lasers de raios X.
Recriando extremos planetários em laboratório
Para descobrir esses detalhes, os pesquisadores realizaram dois experimentos separados. Um foi realizado no instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) no LCLS nos EUA, e o outro no instrumento HED-HIBEF no European XFEL. Estas poderosas instalações permitiram aos cientistas comprimir água a pressões superiores a 1,5 milhões de atmosferas e aquecê-la a vários milhares de graus Celsius, tirando fotografias da sua estrutura atómica em trilionésimos de segundo.
As descobertas coincidem com as simulações computacionais de última geração e mostram que a água superiônica pode assumir múltiplas formas estruturais, assim como o gelo normal, que é conhecido por existir em diferentes fases cristalinas, dependendo da temperatura e da pressão. O trabalho reforça a ideia de que a água, apesar da sua aparente simplicidade, continua a apresentar um comportamento inesperado e notável em condições extremas. Estes resultados também ajudam a refinar modelos da estrutura interna e da evolução a longo prazo dos planetas gigantes gelados, que se acredita estarem espalhados por todo o Universo.
*Água superiônica é um estado incomum de água que se forma a pressões e temperaturas extremamente altas, muito superiores às encontradas na superfície da Terra. Nesta fase, a água se comporta como um sólido, mas os íons de hidrogênio são livres para se moverem através da rede rígida de átomos de oxigênio. Esta combinação única dá à água superiônica a capacidade de conduzir eletricidade. Os cientistas acreditam que ele existe nas profundezas dos grandes planetas, onde essas condições extremas ocorrem naturalmente.
A pesquisa foi apoiada por uma iniciativa conjunta da Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) e da agência francesa de financiamento de pesquisa ANR. Mais de 60 cientistas da Europa e dos Estados Unidos contribuíram para as experiências e análises.
