Um novo estado de matéria "Quasi-1D" poderia estar se escondendo dentro de planetas gigantes de gelo

Imagem do novo CH Compound pensado para existir dentro de Urano e Netuno. Crédito - Cong Liu / O Instituto Carnegie Apesar das aparências exteriores, o funcionamento interno de gigantes de gelo como Urano e Netuno são extremamente caóticos. Pressões milhões de vezes maiores do que o nível do mar da Terra combinam-se com temperaturas em milhares de graus para produzir alguns materiais bastante estranhos. Agora, um novo artigo de pesquisadores da Instituição Carnegie, publicado na Nature Communications, descreve um estado completamente novo de matéria que pode existir nesses ambientes extremos - uma fase “quasi-1D superiônica”. Os cientistas sabem há muito tempo que estes planetas de gelo não são feitos com “ices” normais, como podemos pensar deles na Terra. Em vez disso, são compostos de uma lama quente e densa de água, amônia e metano. Mas recriar as condições que criam essa lama num laboratório é quase impossível. Seria necessário terapascals de pressão em temperaturas elevadas o suficiente para derreter a maioria dos recipientes. Tipicamente os pesquisadores recorrem a simulações para resolver este problema - especificamente um conhecido como "Urano sintético" que imita o ambiente do 7o planeta do Sol, incluindo a pressão e o calor. De estudos químicos anteriores, já sabíamos que moléculas convencionais, como o metano, não sobrevivem em suas formas tradicionais. Ele se rompe em torno de 95 gigapascal, criando materiais ricos em hidrogênio ao lado de alotrópicos de carbono como diamante. Anton Petrov discute gelo superiônico. Crédito - Anton Petrov YouTube Channel Mas mesmo esse estilo de simulação tem suas falhas, e ele se quebra em pressões ainda maiores. Para corrigir esse problema, o papel aborda-o do ponto de vista dos primeiros princípios, permitindo que a mecânica quântica do sistema construa todo o ambiente - pelo menos tanto quanto a mecânica quântica permitirá ser modelada de qualquer maneira. De acordo com este método de simulação, a pressões acima de 1100 GPa, carbono e hidrogênio passam a formar um composto estável, mas com uma estrutura altamente incomum. Os átomos de carbono a estas pressões prendem-se a uma rede rígida e sólida em forma de hélice quiral - basicamente uma escada em espiral microscópica. Mas a parte mais interessante acontece quando o calor é adicionado. Normalmente, adicionar calor transformaria esta estrutura de rede em um líquido, permitindo que os átomos se movessem livremente. Mas, em alguns outros materiais, como a água, o aumento do calor faz com que um conjunto de átomos (no caso da água, oxigênio) permaneça num sólido cristal, enquanto o outro (hidrogênio) começa a fluir livremente. Este é conhecido como um estado “superiônico”. Entre 1000 e 3000 Kelvin, o novo composto CH entra em um estado superiônico, mas com uma torção. Em vez de o oxigênio formar a estrutura cristalina, como faz na água, esta rede cristalina é formada a partir de átomos de carbono. Os átomos de hidrogênio, embora limitados pela rede de carbono, exibem difusão superiônica ao longo da “estada” helicoidal (o eixo z) combinada com movimento rotacional no plano transversal (xy). Esses átomos de hidrogênio podem fluir facilmente para cima ou para baixo da escada, mas nas outras direções eles parecem mais propensos a girar do que se mover. Esse movimento unidirecional com rotação bidimensional fez com que os pesquisadores o classificassem como um tipo híbrido de “dimensionalidade diferencial” - o primeiro estado superiônico quase-1D do mundo. Fraser fala sobre o que pensamos estar dentro de Urano Tudo o que está bem na teoria, mas o que significa na prática? O impacto mais notável é que as propriedades do material se tornam anisotrópicas - o que significa que variam dependendo da direção a partir da qual você mede. Por exemplo, o material parece conduzir muito bem o calor e a eletricidade no eixo “estação”, mas não tanto em nenhum dos outros dois. Além disso, apesar do fato de que tem átomos de hidrogênio em movimento (que são carregados positivamente), a condutividade elétrica parece ainda ser dominada por elétrons em movimento. Numa escala macro, isso ajuda a alimentar-se em teorias sobre porque os campos magnéticos de Netuno e Urano são tão estranhos. Modelos convencionais explicam seus campos magnéticos inclinados assumindo que os gelos quentes superiônicos conduzem calor e eletricidade da mesma forma em todas as direções. Mas com esta nova fase superiônica quase-1D, essa suposição é posta em questão, e poderia melhor se encaixar nos dados experimentais que recebemos dos próprios planetas. Obviamente, um material básico de carbono-hidrogênio é uma simplificação massiva da complexa dinâmica química e térmica que ocorre nos núcleos desses mundos. Mas o fato de termos uma chance de modelar e entender como alguns desses materiais podem funcionar no mundo real mostra que há muito mais que a ciência planetária ainda pode nos ensinar sobre como o universo funciona. Saiba mais: O Instituto Carnegic - As profundezas de Netuno e Urano podem ser “superiônicas” C. Liu, R. E. Cohen, & J. Sol - Previsão de estados superiônicos quase 1D acionados termicamente em hidreto de carbono sob condições planetárias gigantes UT - Por que Urano e Netuno têm Campos Magnéticos? Hot ice UT - The Universe's Most Common Water is a Hot Mess Andy Tomaswick Andy tem estado interessado em exploração espacial desde a leitura Pale Blue Dot no ensino fundamental. Um engenheiro que treina, gosta de se concentrar nos desafios práticos da exploração espacial, quer seja livrar-se de percloratos em Marte ou fazer espelhos ultra suaves para capturar dados cada vez mais claros. Quando não escreve ou não faz engenharia, encontra - se entretendo seus quatro filhos, seis gatos e dois cães, ou correndo em círculos para se manter em forma.