De forma serendipitoso e pela primeira vez, uma equipe de pesquisa internacional liderada por cientistas do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos EUA formou hidreto binário sólido de ouro, um composto feito exclusivamente de átomos de ouro e hidrogênio.
Os pesquisadores estavam estudando quanto tempo leva para hidrocarbonetos, compostos feitos de carbono e hidrogênio, formarem diamantes sob condições de pressão e calor extremamente altos. Em seus experimentos no European XFEL (Laser de Elétrons livres de Raios-X) na Alemanha, a equipe estudou o efeito dessas condições extremas em amostras de hidrocarbonetos com uma folha de ouro incorporada, que tinha a intenção de absorver os raios-X e aquecer os hidrocarbonetos que absorviam fracamente. Para sua surpresa, não apenas observaram a formação de diamantes, mas também descobriram a formação de hidreto de ouro.
“Foi inesperado porque o ouro é tipicamente quimicamente muito monótono e pouco reativo — é por isso que o usamos como um absorvedor de raios-X nesses experimentos,” disse Mungo Frost, cientista da equipe do SLAC que liderou o estudo. “Esses resultados sugerem que há potencialmente muita nova química a ser descoberta sob condições extremas, onde os efeitos da temperatura e pressão começam a competir com a química convencional, e você pode formar esses compostos exóticos.”
Os resultados, publicados na Angewandte Chemie International Edition, oferecem um vislumbre de como as regras da química mudam em condições extremas, como aquelas encontradas dentro de certos planetas ou estrelas que fundem hidrogênio.
Estudando hidrogênio denso
No experimento, os pesquisadores primeiro comprimiram suas amostras de hidrocarbonetos a pressões superiores às existentes no manto da Terra usando uma célula de bigorna de diamante. Em seguida, aqueceram as amostras a mais de 3.500 graus Fahrenheit, atingindo-as repetidamente com pulsos de raios-X do European XFEL. A equipe gravou e analisou como os raios-X se espalharam pelas amostras, o que lhes permitiu resolver as transformações estruturais que ocorreram.
Como esperado, os padrões de espalhamento gravados mostraram que os átomos de carbono haviam formado uma estrutura de diamante. Mas a equipe também observou sinais inesperados que foram causados pela reação dos átomos de hidrogênio com a folha de ouro, formando o hidreto de ouro.
Nas condições extremas criadas no estudo, os pesquisadores descobriram que o hidrogênio estava em um estado denso, “superiônico”, onde os átomos de hidrogênio fluíam livremente pela rígida rede atômica do ouro, aumentando a condutividade do hidreto de ouro.
O hidrogênio, que é o elemento mais leve da tabela periódica, é difícil de estudar com raios-X porque dispersa raios-X apenas de forma fraca. No entanto, aqui, o hidrogênio superiônico interagiu com os átomos de ouro muito mais pesados, e a equipe conseguiu observar o impacto do hidrogênio sobre como a rede de ouro dispersava raios-X. “Podemos usar a rede de ouro como uma testemunha do que o hidrogênio está fazendo,” disse Mungo.
O hidreto de ouro oferece uma maneira de estudar hidrogênio atômico denso sob condições que também podem se aplicar a outras situações que não são acessíveis experimentalmente. Por exemplo, o hidrogênio denso compõe os interiores de certos planetas, portanto, estudá-lo em laboratório poderia nos ensinar mais sobre esses mundos distantes. Também poderia fornecer novas informações sobre os processos de fusão nuclear dentro de estrelas como o nosso sol e ajudar a desenvolver tecnologias para aproveitar a fusão de energia aqui na Terra.
Explorando nova química
Além de abrir caminho para estudos sobre hidrogênio denso, a pesquisa também oferece uma via para explorar nova química. O ouro, comumente considerado um metal pouco reativo, foi encontrado formando um hidreto estável sob pressão e temperatura extremas. De fato, parece ser estável apenas nessas condições extremas, uma vez que, ao esfriar, o ouro e o hidrogênio se separam. As simulações também mostraram que mais hidrogênio poderia caber na rede de ouro em pressões mais altas.
“Esses resultados sugerem que há potencialmente muita nova química a ser descoberta em condições extremas, onde os efeitos de temperatura e pressão começam a competir com a química convencional, e você pode formar esses compostos exóticos.” Mungo Frost, cientista da equipe do SLAC
O quadro de simulação também poderia ser expandido além do hidreto de ouro. “É importante que possamos produzir e modelar experimentalmente esses estados sob essas condições extremas,” disse Siegfried Glenzer, diretor da Divisão de Densidade de Alta Energia e professor de ciência de fótons do SLAC e principal investigador do estudo. “Essas ferramentas de simulação poderiam ser aplicadas para modelar outras propriedades exóticas de materiais em condições extremas.”
A equipe também incluía pesquisadores da Universidade de Rostock, DESY, European XFEL, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Universidade de Frankfurt e Universidade de Bayreuth, todas na Alemanha; da Universidade de Edimburgo, Reino Unido; da Carnegie Institution for Science, da Universidade de Stanford e do Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). Partes deste trabalho foram apoiadas pelo Escritório de Ciência do DOE.
