A descoberta discutida hoje em um artigo da Materiais da Natureza ilustra mais uma vez duas áreas da física de grande importância, mas sem dúvida relativamente pouco conhecidas do público em geral, que provavelmente está muito mais interessado hoje em dia em buracos negros, computadores quânticos ou na busca de vida em outros lugares.
As duas áreas em questão são as de cristalografia e física de alta pressão. A cristalografia científica começou no final do século XVIIIe século, especialmente sob a liderança do Abade René Just Haüy, na França. No início do século 20e século, será revolucionado pela descoberta e desenvolvimento da ciência dos raios X.
A física das altas pressões também conheceu um desenvolvimento significativo ao longo do último século, tornando possível, em particular, explorar a física do interior da Terra e agora a dos planetas gigantes do Sistema Solar com os seus satélites e, finalmente, explorar também um pouco o mundo das exoplanetas extrassolar.
Uma introdução à cristalografia de raios X. Utilizando o fenômeno da difração, revela os segredos do sólido cristalizado, mas não só. © A Instituição RealYouTube
Um laser de raios X para estudar matéria condensada
Mas, voltemos à publicação mencionada no início deste artigo e que relata o trabalho de uma equipa internacional de investigadores, liderada por membros do Instituto de Pesquisa de Padrões e Ciência da Coreia (KRISS), mas que beneficiou de uma fonte de raios X num ambiente espectacular associado a laser Europeu para elétrons grátis e raio-x Raio X Europeu livre-laser eletrônicoOu XFEL Europeu), localizado não muito longe do centro de pesquisa Desy, em Hamburgo, na Alemanha. Desy (Deutsches Elektronen-Síncrotron : Síncrotron de elétrons alemão) é um importante centro de pesquisa na Europa em física de partículas.
eu’XFEL Europeu permitiu o físicos de sólido usar tipos de pulsos de laser em áreas particularmente intensas. Isso lhes permitiu, pela primeira vez no mundo, descobrir um caminho até então desconhecido para a cristalização da água e, acima de tudo, uma nova fase do gelo, o 21edenominado Glace XXI.
Trailer de vídeo da inauguração da Linha de Luz Internacional Helmholtz para Campos Extremos (HIBEF) noXFEL Europeu 31 de agosto de 2021. © XFEL Europeu
As muitas faces da água
Lembre-se que a água é uma das substâncias mais estranhas do Universo observável. Ele se expande quando congela, ao contrário da maioria dos líquidosse comporta como um solvente quase universal e, claro, é necessário para a vida, pelo menos aquela que conhecemos na Terra. Conseguimos até certo ponto reproduzir parte de suas propriedades realizando cálculos aprendidos e complexos sobre computador com a equação de Schrödinger. Mas os experimentos continuam sendo essenciais para desvendar todos os seus segredos.
Sabemos em particular que pode existir em diferentes fases uma vez solidificado e que existem, portanto, vários tipos de gelo de água, como mostram várias experiências iniciadas pelo físico PW Bridgman. Contribuiu para a ampliação do nosso conhecimento sobre os tipos de gelo ao fabricar, em 1912, primeiro os sorvetes V e VI, depois, em 1937, o sorvete VII. Antes dele, o primeiro gelo descoberto pela humanidade, o de geleiras e neve, havia sido classificada no início do século XXe século pelo físico e químico estoniano Gustav Heinrich Tammann (original Alemão-Báltico), sob o nome “Ih ice” (a letra “h” indica que é um dos cristais cujo malha de cristal é hexagonal).
Tammann também descobriu gelo dos tipos II e III.
Para recriar as condições prevalecentes nas profundezas dos planetas, amostras de material podem ser colocadas entre as pontas de dois diamantes. Os diamantes são então pressionados uns contra os outros para produzir pressões muito altas. Um feixe de laser infravermelho pode então aquecer a amostra até 1.000°C ou mais. (Tradução para o francês clicando no retângulo branco no canto inferior direito, depois na noz, depois em “Legendas” e “Traduzir automaticamente”.) © Ciência Carnegie
O interior dos planetas em laboratório
Lembremos também que foi ao ganhador do Prêmio Nobel de Física Percy Williams Bridgman, e especialmente ao seu aluno Francis Birch, que foi demonstrado que o casaco da Terra é composta principalmente por silicatose que nosso Planeta também possui um núcleo externo líquido e um núcleo interno sólido, ambos compostos de ferro.
Você sabia?
Prêmio Nobel de Física de 1946, Percy Williams Bridgman (1882-1961) abriu o caminho para o estudo da matéria em alta pressão dentro dos planetas. Seus alunos incluíram Robert Oppenheimer, o grande geofísico Francis Birch e John Hasbrouck van Vleck (Prêmio Nobel de física em 1977). Ele é considerado um dos teóricos mais influentes do operacionalismo na epistemologia.
Na verdade, Bridgman foi um dos pioneiros da física das altas pressões encontradas em grandes profundidades, no manto ou no coração da Terra, mesmo nos centros de planetas gigantes como Júpiter. Para isso, inventou e desenvolveu a técnica que permite amostras de matéria em pressões superiores a 100.000 atmosferas usando células de bigorna diamante. Existem vários descendentes modernos destes instrumentos.
Geun Woo Lee, do Instituto de Pesquisa de Padrões e Ciência da Coreia (Kriss), revelou fases desconhecidas e mecanismos de cristalização em água sob compressão rápida usando a célula de bigorna de diamante dinâmica (dDAC) e o instrumento de alta densidade de energia (HED). Ele e sua equipe estudaram as mudanças estruturais da água de alta densidade (HDW) e traçaram seus caminhos de transição para diferentes velocidades de compressão. Usando células de bigorna de diamante e laser XFEL Europeuque permitem controlar e detectar velocidades de compressão rápidas, destacam-se fases metaestáveis transitórias, com vida útil muito curta. Para obter uma tradução francesa bastante precisa, clique no retângulo branco no canto inferior direito. As legendas em inglês devem aparecer. Em seguida, clique na porca à direita do retângulo, depois em “Legendas” e por fim em “Traduzir automaticamente”. Escolha “Francês”. © XFEL Europeu
Sobre o novo gelo sintetizado na Terra novamente usando uma bigorna de diamante, um dos autores da descoberta, Lee Yun-Hee, explica em um comunicado de imprensa do Conselho Nacional de Pesquisa de Ciência e Tecnologia Coreano que “ a densidade do Gelo XXI é comparável à das camadas de gelo de alta pressão presentes dentro do luas Júpiter gelado e Saturno. Esta descoberta pode fornecer novas respostas para explorar as origens da vida nas condições extremas do espaço “.
Um novo diagrama de fases para a água
Em qualquer caso, permite-nos completar o diagrama de fase termodinâmica água a diferentes pressões e temperaturas que já conhecíamos e que referiam mais de uma dezena de gelados. O estudo destas diferentes fases poderá dar-nos informações gerais sobre como obter novos materiais na Terra e, assim, catalisar saltos tecnológicos. Naturalmente pensamos a este respeito na investigação sobre o hidrogénio metálico, que poderá dar-nos a chave para a supercondução à temperatura ambiente.
O diagrama de fases da água. Descreve o estado da água de acordo com a temperatura (expressa em °C ou K) e a pressão (expressa em Pa ou mbar). Existem muitas fases sólidas diferentes. ©Olivier Descout, Wikimedia Commons
Para esclarecer um pouco o que fizeram os físicos da matéria condensada, podemos começar dizendo que eles primeiro geraram uma pressão de dois gigapascais em 10 milissegundos (um milissegundo equivale a um milésimo de segundo) sobre uma amostra de água, com uma velocidade compressão de 120 gigapascais por segundo. Isto causou a formação transitória de gelo mesmo à temperatura ambiente, o moléculas são então muito mais compactos do que no gelo natural. Eles então liberaram a pressão da célula da bigorna em um segundo usando um sistema piezoelétricoque explora a capacidade dos materiais piezoelétricos de se expandirem ou contraírem sob o efeito de um campo elétricoexplica um comunicado de imprensa da o XFEL Europeu
Ele acrescenta que “ a equipe usou pulsos de raios X do XFEL europeu para capturar imagens da amostra a cada microssegundo, ou um milionésimo de segundo. Graças ao freqüência extremamente altos desses pulsos, comparáveis aos de uma câmera de alta velocidade, eles foram capazes de filmar a formação da estrutura de gelo “.
Geun Woo Lee especifica: “ Usando os pulsos de raios X exclusivos do XFEL europeu, demonstramos múltiplas vias de cristalização na água, que foi rapidamente comprimida e descomprimida mais de 1.000 vezes usando uma célula de bigorna de diamante dinâmica. »
Diagrama de fases de água e gelo mostrando a recém-descoberta fase de alta pressão em temperatura ambiente: Gelo XXI (área azul). © Instituto de Pesquisa de Padrões e Ciência da Coreia (Kriss)
“ Nossos resultados sugerem a existência de um maior número de fases de gelo metaestável em altas temperaturas e seus caminhos de transição associados, o que poderia lançar nova luz sobre a composição das luas geladas », finaliza Rachel Husband, integrante da equipe Desi Hibef.