Os cientistas do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) obtiveram recentemente dados termodinâmicos de alta precisão sobre nitrogênio quente e denso em condições extremas que podem levar a uma melhor compreensão do interior de objetos celestes como anãs brancas e exoplanetas.
A equipe, que inclui pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley e da Universidade de Rochester, usou uma técnica avançada que combina pré-compressão em uma bigorna de diamante e compressão de choque a laser na Omega Laser Facility da Universidade de Rochester. .

Moléculas de nitrogênio (N₂ ) compõem 78% do ar que respiramos. Eles são únicos porque os dois átomos de nitrogênio em N₂ estão ligados por uma ligação covalente tripla, que é a mais forte de todas as moléculas diatômicas simples. O nitrogênio também é um constituinte importante dos corpos celestes no sistema solar externo e além. Por exemplo, amônia (NH₃ ) acredita-se que existam tempestades em planetas gigantes como Júpiter, enquanto o planeta anão Plutão, a lua gelada de Saturno, Titã, e a lua gelada de Netuno, Tritão, têm N₂ -ambientes ricos.

Estudos anteriores com esta poderosa técnica revelaram evidências experimentais de gelo de água superiônico e chuva de hélio em planetas gigantes gasosos. Na nova pesquisa, a equipe realizou experimentos de choque em fluido de nitrogênio molecular pré-comprimido de até 800 GPa (~ 8 milhões de atmosferas) de pressão.

Eles observaram assinaturas claras para a conclusão da dissociação molecular perto de 70-100 GPa e 5-10 kK (milhares de kelvins) e o início da ionização para os elétrons mais externos acima de 400 GPa e 50 kK.

"É muito emocionante que possamos usar ondas de choque para quebrar essas moléculas e entender como a pressão e a densidade induzem mudanças na ligação química", disse o físico do LLNL Yong-Jae Kim, principal autor de um artigo publicado em Physical Review Letters . "Estudar como quebrar moléculas de nitrogênio e como liberar elétrons é um ótimo teste para as simulações de computador mais avançadas e modelagem teórica."

A equipe também teorizou que estudar o nitrogênio pode ajudar a desvendar alguns dos mistérios sobre o comportamento das moléculas de hidrogênio no estágio inicial de implosões de fusão de confinamento inercial no National Ignition Facility.

“Enquanto o nitrogênio e o hidrogênio são moléculas diatômicas leves, os átomos de hidrogênio são tão pequenos que reproduzir seu comportamento sob extrema pressão e temperatura com simulações de computador é muito complexo”, disse Kim.

A equipe examinou mais de perto a comparação entre os dados experimentais na nova pesquisa e as curvas de densidade de pressão simuladas correspondentes a partir de diferentes densidades iniciais. A comparação forneceu mais confiança na capacidade de simulações de computador usando a técnica de dinâmica molecular da teoria funcional da densidade (DFT) para capturar com precisão as mudanças sutis da física quântica nas propriedades do material nessas condições anteriormente não documentadas. Em particular, os novos dados resolveram uma discrepância intrigante entre experimentos anteriores sobre nitrogênio quente e denso e previsões baseadas nos resultados das simulações de DFT.

"Mostramos que a teoria funcional da densidade funciona muito bem para descrever nossos experimentos. Este é um teste muito rigoroso e útil", disse Kim.

A pesquisa faz parte de um projeto de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido a Laboratório (LDRD) para desenvolver novas técnicas experimentais de compressão dinâmica a laser com alvos de bigorna de diamante (DAC). Essas técnicas podem desvendar novos fenômenos físicos e químicos em misturas de baixo número atômico, como aquelas ricas em água, em uma ampla gama de condições de pressão-temperatura-densidade sem precedentes. A pesquisa tem implicações para a formação e evolução do planeta e fornece informações sobre as propriedades da matéria sob condições extremas.

Em particular, Kim está agora liderando experimentos para desenvolver o uso de alvos DAC no National Ignition Facility. This could help further study nitrogen and unravel new exotic phenomena at much lower temperatures, linked to the 1980s observation of shock-induced cooling and the 2010s prediction of a first-order transition between molecular and polymeric nitrogen fluids below 2,000 K.

"There are a lot more things we can learn from this kind of laser dynamic compression experiments," said Marius Millot, a LLNL principal investigator of the LDRD project and the senior author of the paper. "This is a very exciting field with multiple opportunities to develop innovative measurement and unravel matter's response to extreme conditions. This is key to interpret astronomical observations and better understand the formation and evolution of celestial objects such as white dwarfs and exoplanets." + Explorar mais

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