GREG STEWART/SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY
MADRID, 18 ago. (EUROPA PRESS) -
Pela primeira vez, pesquisadores mediram temperaturas atômicas em matéria extrema, revelando que o ouro sobrevive a 19.000 graus Kelvin (18.726 Celsius), mais de 14 vezes o seu ponto de fusão.
É notoriamente difícil medir a temperatura de objetos realmente quentes. Seja no plasma turbulento do nosso Sol, nas condições extremas dos núcleos dos planetas ou nas forças de esmagamento que atuam dentro de um reator de fusão, o que os cientistas chamam de "matéria quente e densa" pode atingir centenas de milhares de graus Kelvin.
Conhecer a temperatura exata desses materiais é fundamental para que os pesquisadores compreendam totalmente esses sistemas complexos, mas fazer essas medições tem sido, até agora, praticamente impossível.
"Temos boas técnicas para medir a densidade e a pressão desses sistemas, mas não a temperatura", disse Bob Nagler, cientista do SLAC National Accelerator Laboratory, nos EUA, em um comunicado. "Nesses estudos, as temperaturas são sempre estimativas com grandes margens de erro, o que realmente fortalece nossos modelos teóricos. Esse é um problema que se arrasta há décadas.
Agora, pela primeira vez, uma equipe de pesquisadores relata na revista Nature que mediu diretamente a temperatura dos átomos em matéria quente e densa. Enquanto outros métodos dependem de modelos complexos que são difíceis de validar, esse novo método mede diretamente a velocidade dos átomos e, portanto, a temperatura do sistema. Em uma estreia experimental, a equipe superaqueceu o ouro sólido muito além do limite teórico, revolucionando inesperadamente quatro décadas de teoria estabelecida, de acordo com os autores.
Durante quase uma década, essa equipe trabalhou para desenvolver um método que evitasse os desafios usuais da medição de temperaturas extremas, ou seja, a curta duração das condições que geram essas temperaturas no laboratório e a dificuldade de avaliar como esses sistemas complexos afetam outros materiais. "No final, fizemos uma medição direta e inequívoca, demonstrando um método que é aplicável em todo o campo", disse White.
No instrumento MEC do SLAC, a equipe usou um laser para superaquecer uma amostra de ouro. À medida que o calor passava pela amostra de nanômetros de espessura, seus átomos começaram a vibrar em uma taxa diretamente relacionada ao aumento da temperatura. Em seguida, a equipe enviou um pulso de raios X ultrabrilhantes da Linac Coherent Light Source (LCLS) através da amostra superaquecida. Ao ser espalhada pelos átomos vibrantes, a frequência dos raios X mudou ligeiramente, revelando a velocidade dos átomos e, portanto, sua temperatura.
REFUTA A TEORIA DE 1980
"Ficamos surpresos ao encontrar uma temperatura muito mais alta nesses sólidos superaquecidos do que esperávamos inicialmente, o que refuta uma teoria antiga da década de 1980", disse White. "Esse não era nosso objetivo original, mas é disso que se trata a ciência - descobrir coisas novas que não conhecíamos.
Todo material tem pontos de fusão e ebulição específicos, que marcam a transição do sólido para o líquido e do líquido para o gás, respectivamente. Entretanto, há exceções. Por exemplo, quando a água é aquecida rapidamente em recipientes muito lisos, como um copo de água em um micro-ondas, ela pode superaquecer, atingindo temperaturas acima de 100 graus Celsius sem ferver. Isso acontece porque não há superfícies ásperas ou impurezas que causem a formação de bolhas.
Mas esse truque da natureza traz um risco maior: quanto mais um sistema se afasta de seus pontos normais de fusão e ebulição, mais vulnerável ele fica ao que os cientistas chamam de catástrofe: um início repentino de fusão ou ebulição desencadeado por uma pequena mudança ambiental. Por exemplo, a água superaquecida em um micro-ondas entrará em ebulição explosiva quando for perturbada, o que pode causar queimaduras graves.
Embora alguns experimentos tenham demonstrado que é possível superar esses limites intermediários aquecendo rapidamente os materiais, "a catástrofe da entropia ainda era considerada o limite máximo", explicou White.
Em seu estudo recente, a equipe descobriu que o ouro havia sido superaquecido a incríveis 19.000 kelvins (18.726 graus Celsius), mais de 14 vezes o seu ponto de fusão e muito além do limite proposto para a catástrofe da entropia, tudo isso mantendo sua estrutura cristalina sólida.
Os pesquisadores acreditam que o aquecimento rápido impediu a expansão do ouro, permitindo que ele mantivesse seu estado sólido. As descobertas sugerem que pode não haver limite superior para materiais superaquecidos se eles forem aquecidos com rapidez suficiente.
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