Pesquisadores que realizaram a primeira medição direta da temperatura de átomos em materiais extremamente quentes, sem querer, desaprovaram uma teoria estabelecida há décadas e revolucionaram nossa compreensão sobre o superaquecimento.
É notoriamente difícil medir a temperatura de coisas realmente quentes. Seja o plasma em ebulição em nosso Sol, as condições extremas no núcleo dos planetas ou as forças esmagadoras dentro de um reator de fusão, o que os cientistas chamam de “matéria quente e densa” pode alcançar centenas de milhares de graus Kelvin.
Saber com precisão a temperatura desses materiais é crucial para que os pesquisadores entendam plenamente sistemas tão complexos, mas realizar essas medições tem sido, até agora, virtualmente impossível.
“Temos boas técnicas para medir a densidade e a pressão desses sistemas, mas não a temperatura”, disse Bob Nagler, cientista do Laboratório Nacional SLAC do Departamento de Energia dos EUA. “Nesses estudos, as temperaturas são sempre estimativas com grandes margens de erro, o que realmente atrasa nossos modelos teóricos. Isso é um problema que persiste há décadas.”
Agora, pela primeira vez, uma equipe de pesquisadores relatou na revista Nature que mediram diretamente a temperatura de átomos na matéria quente e densa. Enquanto outros métodos dependem de modelos complexos e difíceis de validar, esse novo método mede diretamente a velocidade dos átomos e, portanto, a temperatura do sistema. Já, essa técnica inovadora está mudando nossa compreensão do mundo: em uma estreia experimental, a equipe superaquecia o ouro sólido muito além do limite teórico, desafiando inesperadamente quatro décadas de teoria estabelecida.
“Esse não era nosso objetivo original, mas é isso que a ciência é – descobrir novas coisas que você não sabia que existiam.” Tom White, Professor Associado de Física da Universidade de Nevada, Reno
Nagler e pesquisadores do instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) do SLAC co-lideraram este estudo com Tom White, professor associado de física da Universidade de Nevada, Reno. O grupo inclui pesquisadores da Queen’s University Belfast, do European XFEL (Laser de Luz Livre de Elétrons), da Universidade Columbia, da Universidade de Princeton, da Universidade de Oxford, da Universidade da Califórnia, Merced, e da Universidade de Warwick, Coventry.
Medição da temperatura
Por quase uma década, essa equipe trabalhou para desenvolver um método que contorne os desafios habituais de medir temperaturas extremas – especificamente, a breve duração das condições que criam essas temperaturas no laboratório e a dificuldade de calibrar como esses sistemas complexos afetam outros materiais.
“Finalmente, conseguimos fazer uma medição direta e inequívoca, demonstrando um método que pode ser aplicado em todo o campo”, disse White.
No instrumento MEC do SLAC, a equipe usou um laser para superaquecer uma amostra de ouro. À medida que o calor passava através da amostra extremamente fina, seus átomos começaram a vibrar a uma velocidade diretamente relacionada à sua temperatura crescente. A equipe então enviou um pulso de raios-X ultrabrilhantes da Fonte de Luz Coerente Linac (LCLS) através da amostra superaquecida. À medida que os raios-X se espalhavam pelos átomos vibrantes, a frequência dos raios-X mudava ligeiramente, revelando a velocidade dos átomos e, assim, sua temperatura.
“A nova técnica de medição de temperatura desenvolvida neste estudo demonstra que a LCLS está na vanguarda da pesquisa sobre matéria aquecida por laser”, disse Siegfried Glenzer, diretor da divisão de Ciência de Alta Densidade de Energia do SLAC e coautor do artigo. “A LCLS, combinada com essas técnicas inovadoras, desempenha um papel importante no avanço da ciência de alta densidade de energia e aplicações transformadoras, como a fusão inercial.”
A equipe ficou emocionada ao ter conseguido demonstrar essa técnica – e ao analisar os dados, descobriram algo ainda mais empolgante.
“Ficamos surpresos ao descobrir uma temperatura muito mais alta nesses sólidos superaquecidos do que esperávamos inicialmente, o que desaprova uma teoria que perdura desde os anos 1980”, disse White. “Esse não era o nosso objetivo original, mas é isso que a ciência é – descobrir novas coisas que você não sabia que existiam.”
Superando a Catástrofe da Entropia
Cada material possui pontos específicos de fusão e ebulição, que marcam a transição de sólido para líquido e de líquido para gás, respectivamente. No entanto, há exceções. Por exemplo, quando a água é aquecida rapidamente em recipientes muito lisos – como um copo de água no micro-ondas – ela pode se tornar “superaquecida”, alcançando temperaturas acima de 100 graus Celsius (212 graus Fahrenheit) sem realmente ferver. Isso ocorre porque não há superfícies rugosas ou impurezas que desencadeiem a formação de bolhas.
Mas esse truque da natureza vem com um risco aumentado: quanto mais um sistema se desvia de seus pontos normais de fusão e ebulição, mais vulnerável ele se torna ao que os cientistas chamam de catástrofe – o início súbito de fusão ou ebulição desencadeado por uma leve mudança ambiental. Por exemplo, a água que foi superaquecida em um micro-ondas ferverá explosivamente quando perturbada, potencialmente causando queimaduras graves.
Embora alguns experimentos tenham mostrado que é possível contornar esses limites intermediários aquecendo materiais rapidamente, “a catástrofe da entropia ainda era vista como o limite supremo”, explicou White.
No estudo recente, a equipe descobriu que o ouro foi superaquecido a impressionantes 19.000 Kelvin (33.740 graus Fahrenheit) – mais de 14 vezes seu ponto de fusão e muito além do limite proposto da catástrofe da entropia – tudo enquanto mantinha sua estrutura cristalina sólida.
“Se nosso primeiro experimento usando essa técnica resultou em um grande desafio à ciência estabelecida, mal posso esperar para ver quais outras descobertas estão por vir.” Bob Nagler, Cientista do SLAC
“É importante esclarecer que não violamos a Segunda Lei da Termodinâmica”, disse White, rindo. “O que demonstramos é que essas catástrofes podem ser evitadas se os materiais forem aquecidos extremamente rápido – no nosso caso, em trilionésimos de segundo.”
Os pesquisadores acreditam que o aquecimento rápido impediu que o ouro se expandisse, permitindo que ele mantivesse seu estado sólido. As descobertas sugerem que pode não haver um limite superior para materiais superaquecidos, se forem aquecidos rapidamente o suficiente.
Fusão e além
Nagler observou que pesquisadores que estudam matéria quente e densa provavelmente têm superado o limite da catástrofe da entropia por anos sem perceber, devido à ausência de um método confiável para medir diretamente a temperatura.
“Se nosso primeiro experimento usando essa técnica resultou em um grande desafio à ciência estabelecida, mal posso esperar para ver quais outras descobertas estão por vir”, disse Nagler.
Como apenas um exemplo, as equipes de White e Nagler usaram esse método novamente neste verão para estudar a temperatura de materiais que foram comprimidos por choque para replicar as condições profundas dentro dos planetas.
Nagler também está ansioso para aplicar a nova técnica – que pode identificar temperaturas atômicas de 1.000 a 500.000 Kelvin – nas pesquisas em andamento sobre fusão inercial no SLAC. “Quando um alvo de combustível de fusão implodir em um reator de fusão, os alvos estão em um estado quente e denso”, explicou Nagler. “Para projetar alvos úteis, precisamos saber a que temperaturas ocorrerão mudanças de estado importantes. Agora, finalmente temos uma maneira de fazer essas medições.”
Este trabalho foi financiado em parte pela Administração Nacional de Segurança Nuclear do DOE e pelo Escritório de Ciências de Ciências da Energia de Fusão. A LCLS é uma instalação de usuários do Escritório de Ciências do DOE.
