Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) usaram lasers gigantes para congelar a água em sua exótica fase superiônica e registrar os padrões de difração de raios-X para identificar sua estrutura atômica pela primeira vez - tudo em apenas alguns bilionésimos de segundo. As descobertas são relatadas hoje em Natureza .

Em 1988, os cientistas primeiro previram que a água faria a transição para um estado exótico da matéria caracterizado pela coexistência de uma rede sólida de oxigênio e hidrogênio líquido - gelo superiônico - quando submetida às pressões e temperaturas extremas que existem no interior do gigante rico em água planetas como Urano e Netuno. Essas previsões permaneceram em vigor até 2018, quando uma equipe liderada por cientistas do LLNL apresentou a primeira evidência experimental desse estranho estado da água.

Agora, os cientistas do LLNL descrevem novos resultados. Usando ondas de choque conduzidas por laser e difração de raios-X in-situ, eles observam a nucleação de uma rede cristalina de oxigênio em alguns bilionésimos de segundo, revelando pela primeira vez a estrutura microscópica do gelo superiônico.

Os dados também fornecem informações adicionais sobre a estrutura interna de planetas gigantes de gelo.

"Queríamos determinar a estrutura atômica da água superiônica, "disse a física do LLNL Federica Coppari, co-autor principal do artigo. "Mas, dadas as condições extremas em que se prevê que este estado indescritível da matéria seja estável, comprimir a água a tais pressões e temperaturas e, simultaneamente, tirar instantâneos da estrutura atômica era uma tarefa extremamente difícil, que exigiu um projeto experimental inovador. "

Os pesquisadores realizaram uma série de experimentos no Omega Laser Facility no Laboratório de Laser Energetics (LLE) da Universidade de Rochester. Eles usaram seis feixes de laser gigantes para gerar uma sequência de ondas de choque de intensidade progressivamente crescente para comprimir uma fina camada de água inicialmente líquida a pressões extremas (100-400 gigapascals (GPa), ou 1-4 milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra) e temperaturas (3, 000-5, 000 graus Fahrenheit).

"Projetamos os experimentos para comprimir a água de modo que congelasse em gelo sólido, mas não era certo que os cristais de gelo iriam realmente se formar e crescer em alguns bilionésimos de segundo para que pudéssemos manter as condições de pressão-temperatura, "disse o físico e co-autor do LLNL, Marius Millot.

Para documentar a cristalização e identificar a estrutura atômica, a equipe explodiu uma pequena folha de ferro com 16 pulsos de laser adicionais para criar um plasma quente, que gerou um flash de raios-X precisamente sincronizado para iluminar a amostra de água comprimida, uma vez trazida para o domínio de estabilidade previsto do gelo superiônico.

"Os padrões de difração de raios-X que medimos são uma assinatura inequívoca para a formação de cristais de gelo densos durante a compressão ultrarrápida da onda de choque, demonstrando que a nucleação do gelo sólido da água líquida é rápida o suficiente para ser observada na escala de tempo de nanossegundos do experimento, "Disse Coppari.

"No trabalho anterior, só podíamos medir propriedades macroscópicas, como energia interna e temperatura, "Millot acrescentou." Portanto, projetamos um experimento novo e diferente para documentar a estrutura atômica. Encontrar evidências diretas da existência de rede cristalina de oxigênio traz a última peça que faltava no quebra-cabeça a respeito da existência de gelo de água superiônico. Isso dá força adicional às evidências da existência de gelo superiônico que coletamos no ano passado. "

Analisando como os padrões de difração de raios-X variaram para os diferentes experimentos de sondagem de aumento de pressão e condições de temperatura, a equipe identificou uma transição de fase para uma estrutura atômica cúbica centrada na face (f.c.c.) anteriormente desconhecida para o gelo de água densa.

"A água é conhecida por ter muitas estruturas cristalinas diferentes, conhecidas como gelo Ih, II, III, até XVII, "Coppari disse." Então, propomos chamar o novo f.c.c. forma sólida 'gelo XVIII.' Simulações de computador propuseram uma série de diferentes estruturas cristalinas possíveis para o gelo superiônico. Nosso estudo fornece um teste crítico para métodos numéricos. "

Os dados da equipe têm implicações profundas para a estrutura interna de planetas gigantes de gelo. Como o gelo superiônico é, em última análise, um sólido, a ideia de esses planetas possuírem uma camada uniforme de fluido de convecção rápida não é mais válida.

"Porque o gelo de água nas condições interiores de Urano e Netuno tem uma rede cristalina, argumentamos que o gelo superiônico não deve fluir como um líquido, como o núcleo externo de ferro fluido da Terra. Em vez, provavelmente é melhor imaginar que o gelo superiônico fluiria de forma semelhante ao manto da Terra, que é feito de rocha sólida, ainda flui e suporta movimentos convectivos em grande escala em escalas de tempo geológicas muito longas, "Millot disse." Isso pode afetar dramaticamente nossa compreensão da estrutura interna e da evolução dos planetas gigantes gelados, bem como todos os seus numerosos primos extrasolares. "