Serendipitosamente e pela primeira vez, uma equipe de pesquisa internacional liderada por cientistas do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia dos EUA formou hidreto binário sólido de ouro, um composto feito exclusivamente de átomos de ouro e hidrogênio.
Os pesquisadores estavam estudando quanto tempo leva para hidrocarbonetos, compostos feitos de carbono e hidrogênio, se transformarem em diamantes sob pressão e calor extremamente altos. Em seus experimentos no XFEL Europeu (Laser de Elétron Livre de Raios X) na Alemanha, a equipe analisou o efeito dessas condições extremas em amostras de hidrocarbonetos com uma folha de ouro embutida, que tinha a intenção de absorver os raios X e aquecer os hidrocarbonetos que absorvem fracamente. Para sua surpresa, eles não apenas observaram a formação de diamantes, mas também descobriram a formação de hidreto de ouro.
“Foi inesperado porque o ouro é tipicamente químicamente muito entediante e não reativo – é por isso que o usamos como um absorvedor de raios X nesses experimentos”, disse Mungo Frost, cientista da equipe SLAC que liderou o estudo. “Esses resultados sugerem que potencialmente há muita nova química a ser descoberta em condições extremas, onde os efeitos de temperatura e pressão começam a competir com a química convencional, e você pode formar esses compostos exóticos.”
Os resultados, publicados na Angewandte Chemie International Edition, oferecem uma visão de como as regras da química mudam sob condições extremas, como aquelas encontradas dentro de certos planetas ou em estrelas que fundem hidrogênio.
Estudando hidrogênio denso
No experimento, os pesquisadores primeiro comprimiram suas amostras de hidrocarbonetos a pressões superiores às do manto da Terra usando uma célula de bigorna de diamante. Em seguida, aqueceram as amostras a mais de 3.500 graus Fahrenheit ao atingi-las repetidamente com pulsos de raios X do XFEL Europeu. A equipe registrou e analisou como os raios X se dispersaram nas amostras, o que lhes permitiu resolver as transformações estruturais dentro delas.
Como esperado, os padrões de dispersão registrados mostraram que os átomos de carbono formaram uma estrutura de diamante. Mas a equipe também viu sinais inesperados devido à reação dos átomos de hidrogênio com a folha de ouro, formando hidreto de ouro.
Sob as condições extremas criadas no estudo, os pesquisadores descobriram que o hidrogênio estava em um estado denso, “superiônico”, onde os átomos de hidrogênio fluíam livremente através da rígida rede atômica do ouro, aumentando a condutividade do hidreto de ouro.
O hidrogênio, que é o elemento mais leve da tabela periódica, é difícil de estudar com raios X porque ele dispersa raios X apenas fracamente. No entanto, aqui, o hidrogênio superiônico interagiu com os átomos de ouro muito mais pesados, e a equipe foi capaz de observar o impacto do hidrogênio em como a rede de ouro dispersou os raios X. “Podemos usar a rede de ouro como uma testemunha do que o hidrogênio está fazendo”, disse Mungo.
O hidreto de ouro oferece uma maneira de estudar hidrogênio atômico denso sob condições que também podem se aplicar a outras situações que não são diretamente acessíveis experimentalmente. Por exemplo, o hidrogênio denso compõe os interiores de certos planetas, então estudá-lo no laboratório poderia nos ensinar mais sobre esses mundos externos. Isso também poderia fornecer novas ideias sobre os processos de fusão nuclear dentro de estrelas como nosso sol e ajudar a desenvolver tecnologia para aproveitar a energia de fusão aqui na Terra.
Explorando nova química
Além de abrir caminho para estudos de hidrogênio denso, a pesquisa também oferece uma oportunidade para explorar nova química. O ouro, que é comumente considerado um metal não reativo, foi encontrado formando um hidreto estável em condições de pressão e temperatura extremas. De fato, parece ser estável apenas nessas condições extremas, pois, ao esfriar, o ouro e o hidrogênio se separam. As simulações também mostraram que mais hidrogênio poderia caber na rede de ouro a pressões mais altas.
“Esses resultados sugerem que potencialmente há muita nova química a ser descoberta em condições extremas, onde os efeitos de temperatura e pressão começam a competir com a química convencional, e você pode formar esses compostos exóticos.” Mungo Frost Cientista da equipe SLAC
A estrutura de simulação também poderia ser expandida além do hidreto de ouro. “É importante que possamos produzir experimentalmente e modelar esses estados sob essas condições extremas”, disse Siegfried Glenzer, diretor da Divisão de Densidade de Alta Energia e professor de ciência dos fótons no SLAC e principal investigador do estudo. “Essas ferramentas de simulação poderiam ser aplicadas para modelar outras propriedades materiais exóticas em condições extremas.”
A equipe também incluiu pesquisadores da Universidade de Rostock, DESY, XFEL Europeu, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Universidade de Frankfurt e Universidade de Bayreuth, todas na Alemanha; da Universidade de Edimburgo, Reino Unido; da Instituição Carnegie para a Ciência, da Universidade de Stanford e do Instituto Stanford de Ciências e Materiais Energéticos (SIMES). Partes desse trabalho foram apoiadas pelo Escritório de Ciência do DOE.
