Quando a água é exposta a temperaturas de milhares de graus Celsius e pressões que atingem milhões de atmosferas, ela sofre uma transformação dramática. Sob essas condições extremas, a água entra em um estado raro conhecido como água superiônica.* Nesse estado, os átomos de oxigênio se fixam em uma estrutura sólida rígida, enquanto os íons de hidrogênio se movem livremente pela estrutura, criando um comportamento diferente do gelo ou da água líquida comuns.
Essa fase incomum da água conduz eletricidade de maneira excepcional, tornando-se uma forte candidata para explicar os estranhos campos magnéticos observados em planetas gigantes de gelo. Acredita-se que Urano e Netuno contêm vastas quantidades de água em seus interiores profundos, o que significa que a água superiônica pode ser a forma dominante de água em grande parte do sistema solar.
Mistério Duradouro da Estrutura da Água Superiônica
Cientistas já conseguiram criar água superiônica em experimentos de laboratório, mas sua estrutura interna permaneceu mal compreendida. Pesquisas anteriores propuseram que os átomos de oxigênio poderiam se organizar em um de dois padrões cúbicos simples. Esses padrões incluíam uma disposição cúbica de corpo centrado, onde um átomo extra se senta no meio do cubo, ou uma disposição cúbica de face centrada, onde os átomos ocupam os centros de cada face.
O novo estudo revela que a realidade é muito mais complicada. Em vez de formar um único padrão ordenado, os átomos de oxigênio se montam em uma estrutura mista que combina regiões cúbicas de face centrada com camadas de empacotamento hexagonal próximo. Nas regiões hexagonais, os átomos se empilham de forma compacta em padrões hexagonais repetitivos. Quando essas regiões se fundem com seções cúbicas, o resultado é uma desordem estrutural generalizada. Em vez de uma rede limpa e repetitiva, os átomos formam uma sequência híbrida e irregular que só pode ser detectada usando técnicas de medição extremamente precisas, possibilitadas por lasers de raios X avançados.
Recriando Extremos Planetários no Laboratório
Para descobrir esses detalhes, os pesquisadores realizaram dois experimentos separados. Um foi realizado no instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) no LCLS nos EUA, e o outro ocorreu no instrumento HED-HIBEF no European XFEL. Essas poderosas instalações permitiram que os cientistas comprimisse a água a pressões superiores a 1,5 milhões de atmosferas e a aquecesse a milhares de graus Celsius, enquanto capturavam imagens de sua estrutura atômica em trilionésimos de segundo.
As descobertas alinham-se de perto com as simulações computacionais mais avançadas e mostram que a água superiônica pode adotar múltiplas formas estruturais, muito semelhante ao gelo comum, que se sabe existir em várias fases cristalinas dependendo da temperatura e da pressão. O trabalho reforça a ideia de que a água — apesar de sua aparente simplicidade — continua a revelar comportamentos inesperados e notáveis sob condições extremas. Esses resultados também ajudam a refinar modelos da estrutura interna e da evolução a longo prazo dos planetas gigantes de gelo, que se pensa serem comuns em todo o universo.
*A água superiônica é um estado incomum da água que se forma sob pressões e temperaturas extremamente altas, muito além daquelas encontradas na superfície da Terra. Nesse fase, a água se comporta como um sólido, mas os íons de hidrogênio podem se mover livremente através de uma rede rígida de átomos de oxigênio. Essa combinação única confere à água superiônica a capacidade de conduzir eletricidade. Cientistas acreditam que ela existe nas profundezas de grandes planetas, onde tais condições extremas ocorrem naturalmente.
A pesquisa foi apoiada por uma iniciativa conjunta entre a Fundação de Pesquisa Alemã (DFG) e a agência de financiamento de pesquisa francesa ANR. Mais de 60 cientistas da Europa e dos EUA contribuíram para os experimentos e análises.
