A cientista planetária Dra. Helen Maynard-Casely e associados relataram pela primeira vez como o metano sólido e o nitrogênio se expandem em resposta às mudanças de temperatura e resolveram uma ambigüidade histórica relacionada à estrutura do nitrogênio.

O estudo foi inspirado na missão New Horizons, que sobrevoou Plutão há cinco anos, descobriram geleiras de metano sólido e nitrogênio na superfície do planeta anão.

Em pesquisa publicada na revista IUCrJ, eles também forneceram evidências de mudanças inesperadas na orientação dos grãos do metano sólido e do nitrogênio após o aquecimento, que indicou que os grãos podem estar crescendo.

Plutão, que é inclinado a 120 graus em seu eixo, experimenta variações sazonais de temperatura de 24 a 54 Kelvin (-250 a -220 Celsius) em sua jornada de 248 anos ao redor do sol.

"O fato de que as moléculas de metano e nitrogênio podem fluir em temperaturas extremamente baixas tem a ver com a forma como as moléculas de metano e nitrogênio estão organizadas em suas estruturas cristalinas, é por isso que a cristalografia pode ser capaz de responder a perguntas sobre essas paisagens incomuns, "disse Maynard-Casely.

"Nas estações mais quentes de Plutão, ainda cerca de -220 C, ambas as moléculas de metano e nitrogênio estão girando livremente nos sólidos - as moléculas não se ligam muito bem, " ela disse.

“Os estudos das propriedades mecânicas desses materiais a temperaturas muito baixas são realmente desafiadores, assim, estão faltando informações úteis para as condições incomuns nos corpos planetários externos. "

Maynard-Casely, que estuda as superfícies dos planetas gelados externos e suas luas, recria essas condições usando o difratômetro de alta intensidade Wombat e fornos criogênicos. Ela empreendeu o estudo da expansão térmica do metano e do nitrogênio como não havia sido feito anteriormente.

Acredita-se que as mudanças na densidade de ambas as moléculas sejam úteis para explicar a glaciologia de Plutão.

O que se esperava ser um estudo direto da cristalografia da expansão térmica em uma faixa de temperaturas teve alguns resultados inesperados.

"O nitrogênio, na verdade, tem duas estruturas cristalinas na faixa de temperaturas vista em Plutão, e fiquei surpreso que o modelo mais aceito para a forma alfa de temperatura mais baixa não se encaixava em nossos dados. Descobriu-se que este é um assunto que nunca foi resolvido desde os anos 1970, embora o modelo mais citado da célula unitária seja o grupo espacial P213 assimétrico de quatro moléculas cúbicas, "disse Maynard-Casely.

Os dados foram coletados no Wombat em uma amostra adicional, em seguida, cinco estruturas possíveis diferentes foram testadas novamente.

"Os dados se encaixam no grupo espacial Pa3̅, em que o centro da molécula está na origem da estrutura cristalina. Isso é importante porque o grupo espacial afeta as propriedades físicas. "

No modelo alternativo, os átomos de nitrogênio são deslocados da origem.

"Uma estrutura no grupo espacial P213 pode ser piroelétrica, o que significa que pode haver uma liberação de energia quando você aquece. Isso seria relevante para a glaciologia, mas os dados do Wombat sugerem que este não é o caso, "disse Maynard-Casely.

"A história do nitrogênio é realmente interessante porque as moléculas têm a capacidade de resfriar em uma estrutura ordenada, que é a fase de nitrogênio alfa e neste ponto há uma grande queda de volume, "explicou Maynard-Casely.

"Considerando que em uma temperatura um pouco mais alta, cerca de 44 Kelvin, as moléculas de nitrogênio estão girando livremente em um estado plástico. "

A fase I do metano também é descrita como uma fase de plástico, em que a natureza fracamente interagindo das moléculas e a liberdade de orientação foram pensadas para conferir uma suavidade mecânica.

A pesquisa foi motivada pelas imagens impressionantes da superfície de Plutão capturadas pela missão Novos Horizontes cinco anos atrás, que representava altas montanhas geladas cercadas por terreno mais baixo com aparentes feições fluidas.

"Já se foi o pensamento de que Plutão é um mundo morto. A New Horizons obteve evidências de que o planeta anão foi geologicamente ativo ao longo de seus 4 bilhões de anos de vida."

"Também foi interessante ver o quão pouco a estrutura de ligações de hidrogênio, agua, expandido na mesma faixa de temperatura, "disse Maynard-Casely.

"Você vê a água como uma linha quase reta no gráfico de dados, enquanto o metano e o nitrogênio têm uma expansão significativa com o aumento das temperaturas, " ela disse.