Entre as muitas descobertas sobre a matéria sob alta pressão que lhe renderam o Prêmio Nobel em 1946, o cientista Percy Bridgman descobriu cinco formas cristalinas diferentes de gelo de água, dando início a mais de 100 anos de pesquisas sobre como o gelo se comporta sob condições extremas.

Uma das propriedades mais intrigantes da água é que ela pode se tornar superiônica quando aquecida a vários milhares de graus em alta pressão, semelhantes às condições dentro de planetas gigantes como Urano e Netuno. Este exótico estado da água é caracterizado por íons de hidrogênio semelhantes a líquido movendo-se dentro de uma rede sólida de oxigênio.

Como isso foi previsto pela primeira vez em 1988, muitos grupos de pesquisa no campo confirmaram e refinaram as simulações numéricas, enquanto outros usaram técnicas de compressão estática para explorar o diagrama de fase da água em alta pressão. Enquanto assinaturas indiretas foram observadas, nenhum grupo de pesquisa foi capaz de identificar evidências experimentais de gelo de água superiônico - até agora.

Em um artigo publicado hoje por Física da Natureza , uma equipe de pesquisa do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), a Universidade da Califórnia, Berkeley e a Universidade de Rochester fornecem evidências experimentais para a condução superiônica em água gelada em condições do interior do planeta, verificar a previsão de 30 anos.

Usando compressão de choque, a equipe identificou assinaturas termodinâmicas mostrando que o gelo derrete perto de 5000 Kelvin (K) a 200 gigapascals (GPa - 2 milhões de vezes a atmosfera da Terra) - 4000 K acima do ponto de derretimento em 0,5 megabar (Mbar) e quase a temperatura da superfície do sol.

"Nossos experimentos verificaram as duas previsões principais para gelo superiônico:condutividade protônica / iônica muito alta dentro do sólido e alto ponto de fusão, "disse o autor principal Marius Millot, um físico do LLNL. "Nosso trabalho fornece evidências experimentais para gelo superiônico e mostra que essas previsões não foram devido a artefatos nas simulações, mas realmente capturou o comportamento extraordinário da água nessas condições. Isso fornece uma validação importante de simulações quânticas de última geração usando a dinâmica molecular baseada na teoria do funcional da densidade (DFT-MD). "

"Impulsionado pelo aumento dos recursos de computação disponíveis, Eu sinto que chegamos a um ponto de viragem, "acrescentou Sebastien Hamel, Físico do LLNL e co-autor do artigo. "Estamos agora em um estágio em que um número grande o suficiente dessas simulações pode ser executado para mapear grandes partes do diagrama de fase de materiais sob condições extremas em detalhes suficientes para apoiar efetivamente os esforços experimentais."

Usando células de bigorna de diamante (DAC), a equipe aplicou 2,5 GPa de pressão (25 mil atmosferas) para pré-comprimir a água no gelo em temperatura ambiente VII, uma forma cristalina cúbica que é diferente do gelo hexagonal "cubo de gelo", além de ser 60 por cento mais denso que a água à pressão e temperatura ambiente. Eles então mudaram para o Laboratório de Energética Laser da Universidade de Rochester (LLE) para realizar compressão de choque conduzida por laser das células pré-comprimidas. Eles focaram até seis feixes intensos do laser Omega-60 da LLE, entregando um pulso de luz ultravioleta de 1 nanossegundo em um dos diamantes. Isso lançou fortes ondas de choque de várias centenas de GPa na amostra, para comprimir e aquecer o gelo de água ao mesmo tempo.

"Porque nós pré-comprimimos a água, há menos aquecimento de choque do que se aplicássemos água líquida ambiente comprimida por choque, permitindo-nos acessar estados muito mais frios em alta pressão do que em estudos anteriores de compressão de choque, para que pudéssemos alcançar o domínio de estabilidade previsto do gelo superiônico, "Millot disse.

A equipe usou velocimetria ultrarrápida interferométrica e pirometria para caracterizar as propriedades ópticas da água comprimida com choque e determinar suas propriedades termodinâmicas durante os breves 10-20 nanossegundos de duração do experimento. antes das ondas de liberação de pressão descomprimirem a amostra e vaporizarem os diamantes e a água.

"São experimentos muito desafiadores, por isso foi muito emocionante ver que poderíamos aprender muito com os dados, especialmente porque passamos cerca de dois anos fazendo as medições e mais dois anos desenvolvendo os métodos para analisar os dados, "Millot disse.

Este trabalho também tem implicações importantes para a ciência planetária porque Urano e Netuno podem conter grande quantidade de gelo superiônico. Cientistas planetários acreditam que esses planetas gigantes são feitos principalmente de carbono, hidrogênio, mistura de oxigênio e nitrogênio (C-H-O-N) que corresponde a 65 por cento de água em massa, misturado com amônia e metano.

Muitos cientistas imaginam esses planetas com interiores de convecção totalmente fluidos. Agora, a descoberta experimental do gelo superiônico deve dar mais força a uma nova imagem para esses objetos com uma camada relativamente fina de fluido e um grande "manto" de gelo superiônico. Na verdade, tal estrutura foi proposta há uma década - com base na simulação de dínamo - para explicar os campos magnéticos incomuns desses planetas. Isso é particularmente relevante, pois a NASA está considerando lançar uma sonda para Urano e / ou Netuno, seguindo os passos das bem-sucedidas missões Cassini e Juno a Saturno e Júpiter.

"Os campos magnéticos fornecem informações cruciais sobre o interior e a evolução dos planetas, por isso é gratificante que nossos experimentos possam testar - e, de fato, suporte - a ideia do dínamo fino que foi proposta para explicar os campos magnéticos verdadeiramente estranhos de Urano e Netuno, "disse Raymond Jeanloz, co-autor do artigo e professor de Física e Astronomia Planetária da Universidade da Califórnia, Berkeley. Também é surpreendente que o gelo de água congelada esteja presente a milhares de graus dentro desses planetas, mas é isso que os experimentos mostram. "

"O próximo passo será determinar a estrutura da rede de oxigênio, "disse Federica Coppari, Físico do LLNL e co-autor do artigo. "A difração de raios-X agora é rotineiramente realizada em experimentos de choque a laser em Omega e permitirá determinar experimentalmente a estrutura cristalina da água superiônica. Isso seria muito emocionante porque as simulações teóricas lutam para prever a estrutura real do gelo superiônico de água."

Olhando para a frente, a equipe planeja empurrar para uma pré-compressão mais alta e estender a técnica para outros materiais, como o hélio, isso seria mais representativo de planetas como Saturno e Júpiter.