Quando a água é exposta a temperaturas de milhares de graus Celsius e a pressões de milhões de atmosferas, ela sofre transformações dramáticas. Sob essas condições extremas, a água entra em um estado raro denominado água superionizada. *Nesta forma, os átomos de oxigênio ficam presos em uma estrutura rígida e sólida, enquanto os íons de hidrogênio se movem livremente dentro da estrutura, resultando em um comportamento diferente do gelo comum ou da água líquida.
Esta fase aquosa incomum conduz eletricidade extremamente bem, tornando-a uma forte candidata para explicar os estranhos campos magnéticos observados em torno de planetas gigantes gelados. Acredita-se que Urano e Netuno contenham grandes quantidades de água nas profundezas de seus interiores, o que significa que a água superionizada pode ser a forma dominante de água em grande parte do sistema solar.
Um mistério de longa data sobre a estrutura da água superiônica
Os cientistas já criaram com sucesso água superionizada em experimentos de laboratório, mas sua estrutura interna ainda era pouco compreendida. As primeiras pesquisas propuseram que os átomos de oxigênio poderiam ser organizados em um de dois padrões cúbicos simples. Estes incluem um arranjo cúbico de corpo centrado, em que um átomo extra está no meio do cubo, ou um arranjo cúbico de face centrada, em que um átomo ocupa o centro de cada face.
Novas pesquisas mostram que a realidade é muito mais complexa. Em vez de formar um único padrão ordenado, os átomos de oxigênio se reúnem em estruturas híbridas que combinam regiões cúbicas de face centrada com camadas hexagonais compactas. Nas regiões hexagonais, os átomos estão compactados em um padrão hexagonal repetido. Quando essas áreas são fundidas com seções cúbicas, o resultado é um extenso caos estrutural. Em vez de uma rede limpa e repetitiva, os átomos formam sequências misturadas e irregulares que só podem ser detectadas usando técnicas de medição extremamente precisas possibilitadas por lasers de raios X avançados.
Recriando extremos planetários em laboratório
Para descobrir esses detalhes, os pesquisadores realizaram dois experimentos separados. Um foi realizado no instrumento Extreme Conditions (MEC) do LCLS nos Estados Unidos e o outro no instrumento HED-HIBEF do XFEL na Europa. Estas poderosas instalações permitem aos cientistas comprimir a água a pressões superiores a 1,5 milhões de atmosferas e aquecê-la a milhares de graus Celsius, enquanto capturam instantâneos da sua estrutura atómica em trilionésimos de segundo.
As descobertas correlacionam-se bem com simulações computacionais de última geração e mostram que a água superiônica pode adotar uma variedade de formas estruturais, assim como o gelo comum, que é conhecido por existir em muitas fases cristalinas diferentes, dependendo da temperatura e da pressão. Este trabalho reforça a ideia de que a água, apesar da sua aparente simplicidade, ainda pode apresentar comportamentos inesperados e extraordinários em condições extremas. Os resultados também ajudam a refinar modelos da estrutura interna e da evolução a longo prazo dos planetas gigantes gelados, que se pensa serem comuns em todo o Universo.
*Água superionizada é um estado incomum de água formada a pressões e temperaturas extremamente altas, muito além dos níveis encontrados na superfície da Terra. Nesta fase, a água comporta-se como um sólido, mas os iões de hidrogénio estão livres para se moverem através da rede rígida de átomos de oxigénio. Esta combinação única dá à água superiônica a capacidade de conduzir eletricidade. Os cientistas acreditam que ela existe nas profundezas de grandes planetas, onde tais condições extremas ocorreriam 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 participaram nas experiências e análises.
