Pesquisadores que realizaram a primeira medição direta da temperatura de átomos em materiais extremamente quentes desmentiram inadvertidamente uma teoria de décadas e revolucionaram nossa compreensão do superaquecimento.
É notoriamente difícil medir a temperatura de coisas realmente quentes. Seja o plasma tumultuado em nosso Sol, as condições extremas no núcleo dos planetas ou as forças esmagadoras em um reator de fusão, o que os cientistas chamam de “matéria quente densa” pode alcançar centenas de milhares de graus Kelvin.
Saber precisamente quão quentes são esses materiais é crucial para que os pesquisadores compreendam plenamente tais sistemas complexos, mas realizar essas medições tem sido, até agora, virtualmente impossível.
“Temos boas técnicas para medir a densidade e a pressão desses sistemas, mas não a temperatura”, disse Bob Nagler, cientista da SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos EUA. “Nesses estudos, as temperaturas são sempre estimativas com grandes margens de erro, o que realmente atrapalha nossos modelos teóricos. É um problema de décadas.”
Agora, pela primeira vez, uma equipe de pesquisadores relata na revista Nature que mediu diretamente a temperatura de átomos em matéria quente densa. Enquanto outros métodos dependem de modelos complexos e difíceis de validar, este novo método mede diretamente a velocidade dos átomos, e, portanto, a temperatura do sistema. Já, seu método inovador está mudando nossa compreensão do mundo: em uma estreia experimental, a equipe superaquecia ouro sólido muito além do limite teórico, derrubando inesperadamente quatro décadas de teoria estabelecida.
“Esse não era nosso objetivo original, mas é isso que a ciência faz – descobrir novas coisas que você não sabia que existiam.” Tom White, Professor Associado de Física na Universidade de Nevada, Reno
Nagler e pesquisadores do instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) da SLAC co-lideraram este estudo com Tom White, professor associado de física na Universidade de Nevada, Reno. O grupo inclui pesquisadores da Queen’s University Belfast, do European XFEL (Laser de Elétron Livre de Raios-X), da Columbia University, da Princeton University, da University of Oxford, da University of California, Merced e da University of Warwick, Coventry.
Medição da temperatura
Por quase uma década, essa equipe trabalhou para desenvolver um método que contornasse os desafios habituais de medir temperaturas extremas – especificamente, a breve duração das condições que criam essas temperaturas no laboratório e a dificuldade de calibrar como esses sistemas complexos afetam outros materiais.
“Finalmente, medimos direta e inequivocamente a temperatura, demonstrando um método que pode ser aplicado em todo o campo”, disse White.
No instrumento MEC da SLAC, a equipe utilizou um laser para superaquecer uma amostra de ouro. À medida que o calor se propagava pela amostra de espessura nanométrica, seus átomos começaram a vibrar a uma velocidade diretamente relacionada à temperatura crescente. A equipe então enviou um pulso de raios-X ultrabrilhantes da Linac Coherent Light Source (LCLS) através da amostra superaquecida. Quando os raios-X se dispersaram nos átomos vibrantes, a frequência dos raios-X mudava ligeiramente, revelando a velocidade dos átomos e, assim, sua temperatura.
“A nova técnica de medição de temperatura desenvolvida neste estudo demonstra que o LCLS está na vanguarda da pesquisa de matéria aquecida por laser”, disse Siegfried Glenzer, diretor da divisão de Ciência da Alta Densidade de Energia na SLAC e coautor do artigo. “O LCLS, aliado a essas técnicas inovadoras, desempenha um papel importante no avanço da ciência de alta densidade de energia e de aplicações transformadoras como a fusão inercial.”
A equipe ficou entusiasmada ao ter conseguido demonstrar essa técnica – e, ao analisar mais profundamente os dados, descobriram algo ainda mais empolgante.
“Ficamos surpresos ao descobrir uma temperatura muito mais alta nesses sólidos superaquecidos do que inicialmente esperávamos, o que desprove uma teoria de longa data dos anos 1980”, disse White. “Esse não era nosso objetivo original, mas é isso que a ciência faz – descobrir novas coisas que você não sabia que existiam.”
Sobrevivendo à catástrofe da entropia
Cada material tem pontos específicos de fusão e ebulição, marcando a transição de sólido para líquido e de líquido para gás, respectivamente. No entanto, existem exceções. Por exemplo, quando a água é aquecida rapidamente em recipientes muito lisos – como um copo de água em um micro-ondas – pode se tornar “superaquecida”, alcançando temperaturas acima de 212 graus Fahrenheit (100 graus Celsius) sem realmente ferver. Isso ocorre porque não há superfícies ásperas ou impurezas que acionem a formação de bolhas.
Mas esse truque da natureza vem com um risco aumentado: quanto mais um sistema se desvia de seus pontos normais de fusão e ebulição, mais vulnerável ele se torna ao que os cientistas chamam de catástrofe – um início súbito de fusão ou ebulição desencadeado por uma ligeira mudança ambiental. Por exemplo, a água que foi superaquecida em um micro-ondas ferverá explosivamente quando perturbada, causando queimaduras graves.
Embora alguns experimentos tenham demonstrado ser possível contornar esses limites intermediários ao aquecer rapidamente os materiais, “a catástrofe da entropia ainda era vista como o limite definitivo”, explicou White.
Em seu estudo recente, a equipe descobriu que o ouro havia sido superaquecido a impressionantes 19.000 Kelvin (33.740 graus Fahrenheit) – mais de 14 vezes seu ponto de fusão e bem além do limite proposto de catástrofe da entropia – tudo isso enquanto mantinha sua estrutura cristalina sólida.
“Se nosso primeiro experimento usando essa técnica levou a um grande desafio à ciência estabelecida, mal posso esperar para ver quais outras descobertas estão por vir.” Bob Nagler, Cientista da SLAC
“É importante esclarecer que não violamos a Segunda Lei da Termodinâmica”, disse White com um sorriso. “O que demonstramos é que essas catástrofes podem ser evitadas se os materiais forem aquecidos extremamente rápido – neste caso, dentro de trilionésimos de segundo.”
Os pesquisadores acreditam que o aquecimento rápido impediu que o ouro se expandisse, permitindo que ele mantivesse seu estado sólido. As descobertas sugerem que pode não haver um limite superior para materiais superaquecidos, se forem aquecidos rapidamente o suficiente.
Fusão e além
Nagler observou que os pesquisadores que estudam matéria quente densa provavelmente têm superado o limite da catástrofe da entropia por anos sem perceber, devido à ausência de um método confiável para medir diretamente a temperatura.
“Se nosso primeiro experimento usando essa técnica levou a um grande desafio à ciência estabelecida, mal posso esperar para ver quais outras descobertas estão por vir”, disse Nagler.
Como apenas um exemplo, as equipes de White e Nagler usaram este método novamente neste verão para estudar a temperatura de materiais que foram comprimidos por choque para replicar as condições profundas dentro dos planetas.
Nagler também está ansioso para aplicar a nova técnica – que pode apontar temperaturas atômicas de 1.000 a 500.000 Kelvin – às pesquisas em andamento sobre energia de fusão inercial na SLAC. “Quando um alvo de combustível de fusão implosiona em um reator de fusão, os alvos estão em um estado quente denso”, explicou Nagler. “Para projetar alvos úteis, precisamos saber em quais temperaturas ocorrerão mudanças de estado importantes. Agora, finalmente temos uma maneira de fazer essas medições.”
Esse trabalho foi financiado em parte pela Administração Nacional de Segurança Nuclear do DOE e pelo Escritório de Ciências de Ciências da Energia de Fusões. O LCLS é uma instalação do DOE Office of Science.
