Quando a água é exposta a temperaturas de vários milhares de graus Celsius e pressões que atingem milhões de atmosferas, ela sofre uma transformação dramática. Nessas condições extremas, a água entra em um estado raro conhecido como água super iônica.* Nessa forma, os átomos de oxigênio se acomodam em uma estrutura sólida rígida, enquanto os íons de hidrogênio se movem livremente através da estrutura, criando um comportamento diferente do gelo ou da água líquida comuns.
Essa fase incomum da água conduz eletricidade excepcionalmente bem, tornando-se uma forte candidata para explicar os estranhos campos magnéticos observados ao redor de planetas gigantes de gelo. Acredita-se que Urano e Netuno contêm vastas quantidades de água em suas camadas internas, o que significa que a água super iônica pode ser a forma dominante de água em grande parte do sistema solar.
Mistério Duradouro da Estrutura da Água Super Iônica
Cientistas conseguiram criar água super iônica em experimentos de laboratório anteriormente, mas sua estrutura interna permaneceu mal compreendida. Pesquisas anteriores propuseram que os átomos de oxigênio poderiam se organizar em um de dois padrões cúbicos simples. Esses padrões incluíam uma disposição cúbica centrada no corpo, onde um átomo extra se localiza no meio do cubo, ou uma disposição cúbica centrada na face, onde os átomos ocupam os centros de cada face.
O novo estudo revela que a realidade é muito mais complicada. Em vez de formar um único padrão ordenado, os átomos de oxigênio se juntam em uma estrutura mista que combina regiões cúbicas centrais com camadas organizadas hexagonalmente. Nas regiões hexagonais, os átomos se empilham de forma compacta em padrões hexagonais repetitivos. Quando essas regiões se fundem com seções cúbicas, o resultado é uma grande desordem estrutural. Ao invés de uma rede limpa e repetitiva, os átomos formam uma sequência híbrida e irregular que só pode ser detectada usando técnicas de medição extremamente precisas possibilitadas por poderosos lasers de raios-X.
Recrie os Extremos Planetários no Laboratório
Para descobrir esses detalhes, os pesquisadores realizaram dois experimentos separados. Um foi realizado no instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) no LCLS, nos EUA, e o outro ocorreu no instrumento HED-HIBEF no European XFEL. Essas instalações poderosas permitiram que os cientistas comprimem a água a pressões superiores a 1,5 milhões de atmosferas e a aqueceram a vários milhares de graus Celsius, enquanto capturavam instantâneas de sua estrutura atômica em trilionésimos de segundo.
As descobertas alinham-se de perto com as simulações computacionais mais avançadas e mostram que a água super iônica pode adotar múltiplas formas estruturais, assim como o gelo comum, que é conhecido por existir em várias fases cristalinas diferentes dependendo da temperatura e da pressão. O trabalho reforça a ideia de que a água — apesar de sua aparente simplicidade — continua a revelar comportamentos inesperados e notáveis sob condições extremas. Esses resultados também ajudam a refinar modelos da estrutura interna e da evolução a longo prazo dos planetas gigantes de gelo, que se acredita serem comuns em todo o universo.
*A água super iônica é um estado incomum da água que se forma sob pressões e temperaturas extremamente altas, muito além daquelas encontradas na superfície da Terra. Nessa fase, a água se comporta como um sólido, mas os íons de hidrogênio podem se mover livremente através de uma rede rígida de átomos de oxigênio. Essa combinação única confere à água super iônica a capacidade de conduzir eletricidade. Cientistas acreditam que ela existe nas profundezas de grandes planetas, onde tais condições extremas ocorrem naturalmente.
A pesquisa foi apoiada por uma iniciativa conjunta entre a Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) e a agência francesa de fomento à pesquisa ANR. Mais de 60 cientistas da Europa e dos EUA contribuíram para os experimentos e análises.
