Nesta foto integrada no tempo de um experimento de difração de raios-X, lasers gigantes focalizam a amostra de água, posicionada na placa frontal do diagnóstico usado para registrar os padrões de difração, para comprimi-la na fase superionica. Feixes de laser adicionais geram um flash de raios X de uma folha de ferro que permite aos pesquisadores tirar uma foto da camada de compressa / água quente. Os diagnósticos monitoram o histórico de tempo dos pulsos de laser e o brilho da fonte de raios X emitida. Crédito: Millot, Coppari, Kowaluk (LLNL)
Ele levou um dos mais poderosos lasers do planeta, mas os cientistas conseguiram. Eles confirmaram a existência de água congelada "superiônica", que pode permanecer sólida a milhares de graus de calor.
Essa forma bizarra de gelo é possível por causa de uma tremenda pressão, e as descobertas do experimento poderiam lançar luz sobre a estrutura interna de planetas gigantes de gelo, como Urano e Netuno.
Na superfície da Terra, os pontos de ebulição e congelamento da água variam apenas um pouco - geralmente fervendo quando está muito quente e congelando quando está frio. Mas ambas as mudanças de estado estão ao sabor da pressão (é por isso que o ponto de ebulição da água é menor em altitudes mais altas).
No vácuo do espaço, a água não pode existir em sua forma líquida. Ele imediatamente ferve e vaporiza mesmo a -270 graus Celsius - a temperatura média do Universo - antes de dessublimação em cristais de gelo.
Mas tem sido teorizado que, em ambientes de altíssima pressão, ocorre o oposto: a água se solidifica, mesmo em temperaturas extremamente altas. Cientistas do Lawrence Livermore National Laboratory observaram isso pela primeira vez recentemente, detalhados em um artigo no ano passado .
Eles criaram o Ice VII , que é a forma cristalina de gelo acima de 30.000 vezes a pressão atmosférica da Terra, ou 3 gigapascals, e explodiu com lasers. O gelo resultante tinha um fluxo condutivo de íons, em vez de elétrons, e é por isso que é chamado de gelo superiônico.
Agora eles confirmaram isso com experimentos de acompanhamento. Eles propuseram que a nova forma seja denominada Gelo XVIII.
No experimento anterior, a equipe só pôde observar propriedades gerais, como energia e temperatura; os detalhes mais sutis da estrutura interna permaneciam elusivos. Então eles projetaram um experimento usando pulsos de laser e difração de raios X para revelar a estrutura cristalina do gelo.
"Queríamos determinar a estrutura atômica da água superionica", disse a fisica Federica Coppari do LLNL .
"Mas, dadas as condições extremas em que se prevê que este estado indescritível da matéria seja estável, comprimir a água a tais pressões e temperaturas e, simultaneamente, obter instantâneos da estrutura atômica foi uma tarefa extremamente difícil, que exigiu um projeto experimental inovador".
Aqui está esse design. Primeiro, uma fina camada de água é colocada entre duas bigornas de diamante. Em seguida, seis lasers gigantes são usados para gerar uma série de ondas de choque com intensidade progressivamente crescente para comprimir a água a pressões de até 100 a 400 gigapascals, ou de 1 a 4 milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra.
Ao mesmo tempo, produzem temperaturas entre 1.650 e 2.760 graus Celsius (a superfície do Sol é de 5.505 graus Celsius).
Esse experimento foi projetado para que a água congelasse quando comprimida, mas como as condições de pressão e temperatura só podiam ser mantidas por uma fração de segundo, os físicos não tinham certeza de que os cristais de gelo se formariam e cresceriam.
Então, eles usaram lasers para fazer um pequeno pedaço de ferro com 16 pulsos adicionais, criando uma onda de plasma que gerou um raio X no momento exato. Estes flashes difractaram os cristais no interior, mostrando que a água comprimida estava realmente congelada e estável.
"Os padrões de difração de raios-X que medimos são uma assinatura inequívoca para cristais de gelo densos formados durante a compressão ultra rápida da onda de choque demonstrando que a nucleação de gelo sólido a partir de água líquida é rápida o suficiente para ser observada na escala de nanossegundos do experimento", disse Coppari .
Esses raios X mostravam uma estrutura nunca antes vista - cristais cúbicos com átomos de oxigênio em cada canto e um átomo de oxigênio no centro de cada face.
"Encontrar evidência direta da existência de uma rede cristalina de oxigênio traz a última peça que faltava para o quebra-cabeça em relação à existência de gelo de água superionico", disse o físico Marius Millot, do LLNL .
"Isso dá força adicional à evidência da existência de gelo superiônico que coletamos no ano passado."
O resultado revela uma pista de como os gigantes do gelo, como Netuno e Urano, podem ter campos magnéticos tão estranhos , inclinados em ângulos bizarros e com equadores que não circulam o planeta.
Anteriormente, pensava-se que esses planetas tinham um oceano fluido de água iônica e amônia no lugar de um manto.
Mas a pesquisa da equipe mostra que esses planetas podem ter um manto sólido, como a Terra, mas feitos de gelo superionico quente em vez de rocha quente. Como o gelo superiônico é altamente condutivo, isso pode estar influenciando os campos magnéticos dos planetas.
"Como o gelo de água nas condições interiores de Urano e Netuno tem uma rede cristalina, argumentamos que o gelo superiônico não deve fluir como um líquido, como o núcleo externo de ferro da Terra. É melhor imaginar que o gelo superionico fluiria da mesma forma." para o manto da Terra, que é feito de rocha sólida, ainda flui e suporta movimentos convectivos em larga escala em escalas de tempo geológicas muito longas ", disse Millot .
"Isso pode afetar dramaticamente nossa compreensão da estrutura interna e da evolução dos planetas gigantes gelados, assim como todos os seus numerosos primos extrasolares".
A pesquisa foi publicada na Nature .
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