A maioria dos leigos está familiarizada com os três estados da matéria como sólidos, líquidos, e gases. Mas existem outras formas que existem. Plasmas, por exemplo, são a forma de matéria mais abundante no universo, encontrados em todo o nosso sistema solar no Sol e em outros corpos planetários. Os cientistas ainda estão trabalhando para entender os fundamentos deste estado da matéria, que está se revelando cada vez mais significativo, não apenas para explicar como o universo funciona, mas para aproveitar o material para formas alternativas de energia.

Pela primeira vez, pesquisadores do Laboratório de Energética Laser da Universidade de Rochester (LLE) descobriram uma maneira de transformar um metal líquido em plasma e observar a temperatura em que um líquido sob condições de alta densidade passa para o estado de plasma. Suas observações, publicado em Cartas de revisão física , têm implicações para uma melhor compreensão de estrelas e planetas e podem ajudar na realização da fusão nuclear controlada - uma fonte de energia alternativa promissora cuja realização iludiu os cientistas por décadas.

O que é um plasma?

Os plasmas consistem em uma sopa quente de elétrons e íons em movimento livre - átomos que perderam seus elétrons - que conduzem eletricidade facilmente. Embora os plasmas não sejam comuns naturalmente na Terra, eles compreendem a maior parte da matéria no universo observável, como a superfície do sol. Os cientistas são capazes de gerar plasmas artificiais aqui na Terra, normalmente aquecendo um gás a milhares de graus Fahrenheit, que retira os átomos de seus elétrons. Em uma escala menor, este é o mesmo processo que permite que TVs de plasma e letreiros de neon "brilhem":a eletricidade excita os átomos de um gás neon, fazendo com que o néon entre em um estado de plasma e emita fótons de luz.

De um líquido a um plasma

Como Mohamed Zaghoo, um associado de pesquisa no LLE, e seus colegas observaram, Contudo, há outra maneira de criar um plasma:sob condições de alta densidade, aquecer um metal líquido a temperaturas muito altas também produzirá um plasma denso. “A transição para este último não foi observada cientificamente antes e é exatamente o que fizemos, "Zaghoo diz.

Um dos aspectos únicos dessa observação é que metais líquidos em altas densidades exibem propriedades quânticas; Contudo, se eles podem cruzar para o estado de plasma em altas densidades, eles exibirão propriedades clássicas. Na década de 1920, Enrico Fermi e Paul Dirac, dois dos fundadores da mecânica quântica, introduziu a formulação estatística que descreve o comportamento da matéria feita de elétrons, nêutrons, e prótons - matéria normal que constitui os objetos da Terra. Fermi e Dirac levantaram a hipótese de que em certas condições - densidades extremamente altas ou temperaturas extremamente baixas - os elétrons ou prótons têm que assumir certas propriedades quânticas que não são descritas pela física clássica. Um plasma, Contudo, não segue este paradigma.

A fim de observar um metal líquido passando para um plasma, os pesquisadores LLE começaram com o deutério de metal líquido, que exibia as propriedades clássicas de um líquido. Para aumentar a densidade do deutério, eles o resfriaram a 21 graus Kelvin (-422 graus Fahrenheit). Os pesquisadores então usaram os lasers OMEGA do LLE para desencadear uma forte onda de choque através do deutério líquido ultracool. A onda de choque comprimiu o deutério a pressões até cinco milhões de vezes maiores do que a pressão atmosférica, enquanto também aumenta suas temperaturas para quase 180, 000 graus Fahrenheit. A amostra começou completamente transparente, mas com o aumento da pressão, ele se transformou em um metal brilhante com alta refletividade óptica.

"Ao monitorar a refletância da amostra em função de sua temperatura, fomos capazes de observar as condições precisas em que este metal líquido simples e lustroso se transformou em um plasma denso, "Zaghoo diz.

Compreender a matéria em condições extremas

Os pesquisadores observaram que o metal líquido exibia inicialmente as propriedades quânticas dos elétrons que seriam esperadas em temperaturas e densidades extremas. Contudo, "por volta dos 90, 000 graus Fahrenheit, a refletância do deutério metálico começou a subir com uma inclinação que é esperada se os elétrons no sistema não forem mais quânticos, mas clássicos, "Zaghoo diz." Isso significa que o metal se tornou um plasma. "

Isso é, os pesquisadores do LLE começaram com um líquido simples. Aumentar a densidade para condições extremas fez com que o líquido entrasse em um estado em que exibia propriedades quânticas. Aumentar ainda mais a temperatura fez com que ele se transformasse em um plasma, em que ponto exibiu propriedades clássicas, ainda estava sob condições de alta densidade, diz Suxing Hu, um cientista sênior do LLE e um co-autor do estudo. "O que é notável é que as condições em que ocorre esse cruzamento entre o quantum e o clássico são diferentes do que a maioria das pessoas esperava com base em livros de plasma. Além disso, esse comportamento pode ser universal para todos os outros metais. "

Compreender esses fundamentos de líquidos e plasmas permite que os pesquisadores desenvolvam novos modelos para descrever como os materiais em altas densidades conduzem eletricidade e calor, e pode ajudar a explicar a matéria nos extremos do sistema solar, bem como ajuda na obtenção de energia de fusão, Zaghoo diz. "Este trabalho não é apenas uma curiosidade de laboratório. Plasmas compreendem o vasto interior de corpos astrofísicos como anãs marrons e também representam os estados da matéria necessários para alcançar a fusão termonuclear. Esses modelos são essenciais para nossa compreensão de como projetar experimentos para obter a fusão . "