Confirmado: Nova Fase da Matéria é Sólida e Líquida ao Mesmo Tempo

O material impressionante seria como uma esponja feita de água a verter água.

Monday, April 15, 2019,
Por Adam Mann
pequena partícula de potássio metálico num tubo de ensaio com água
Pequena partícula de potássio metálico num tubo de ensaio com água.
Fotografia de Turtle Rock Scientific/Science Source

SÓLIDO, LÍQUIDO, GASOSO... e algo mais? Apesar da maioria das pessoas aprender sobre apenas três estados da matéria na escola primária, físicos descobriram diversas variedades exóticas que podem existir sob condições extremas de temperatura e pressão.

Agora, uma equipa usou uma inteligência artificial para confirmar a existência de um novo estado de matéria bizarro, no qual os átomos de potássio exibem propriedades de um sólido e de um líquido ao mesmo tempo. Se conseguíssemos, de alguma forma, extrair um pedaço desse material, seria provavelmente um bloco sólido a verter potássio fundido, que se dissolveria.

"Seria como segurar uma esponja ensopada de água que começa a pingar, mas a esponja também seria feita de água", diz o coautor do estudo, Andreas Hermann, físico de matéria condensada na Universidade de Edimburgo, cuja equipa descreveu o trabalho na Proceedings of the National Academy of Science.

A existência de potássio nesse estado incomum pode acontecer em condições que se encontram no manto da Terra, mas esse elemento não é geralmente encontrado sob uma forma pura, e está geralmente ligado a outro material. Simulações semelhantes poderiam ajudar a estudar o comportamento de outros minerais em ambientes tão extremos.

 

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CRISTAIS LÍQUIDOS

A nível microscópico, metais como o potássio são relativamente simples. Quando moldado sob a forma de uma barra sólida, os átomos desse elemento ligam-se em colunas ordenadas, revelando-se bons condutores de calor e eletricidade. Durante muito tempo, os investigadores acreditavam que conseguiam prever facilmente o que aconteceria a essas estruturas cristalinas sob pressão.

Mas há cerca de 15 anos, descobriram que o sódio – um metal com propriedades semelhantes às do potássio – se comportava de forma estranha quando era comprimido. Com uma pressão 20 mil vezes superior à que se encontra na superfície da Terra, o sódio passava de um bloco prateado, para um material transparente, que não conduzia eletricidade e impedia seu fluxo. Ao sondar o sódio com raios X, os cientistas puderam observar que os seus átomos tinham adotado uma formação cristalina complexa, em vez de uma simples.

O potássio também foi submetido ao escrutínio experimental e, quando comprimido a extremos semelhantes, os seus átomos dispõem-se numa formação elaborada – cinco tubos cilíndricos organizados em forma de X, com quatro longas cadeias nas curvaturas dessa montagem, quase como dois materiais separados e não entrelaçados.

"De alguma forma, esses átomos de potássio decidem dividir-se em duas sub-redes mal ligadas", diz Hermann. Mas quando os cientistas aumentaram o calor, as imagens de raios X mostraram as quatro cadeias a desaparecer, levando os investigadores a questionarem-se sobre o que estaria exatamente a acontecer.

Hermann e os seus colegas recorreram a simulações para descobrir a resposta, recorrendo ao que é conhecido como uma rede neural – uma máquina de inteligência artificial que aprende a prever comportamentos com base em exemplos anteriores. Depois de treinada com pequenos grupos de átomos de potássio, a rede neural aprendeu mecânica quântica para simular compilações com dezenas de milhares de átomos.

Os modelos de computador confirmaram que entre cerca de 20.000 e 40.000 vezes a pressão atmosférica, e 400 a 800 Kelvin (126 a 526 graus Celsius), o potássio entra num estado que se chama de cadeia-fundida, em que as cadeias se dissolvem em líquido enquanto os restantes cristais de potássio permanecem sólidos.

Esta foi a primeira vez que os cientistas demonstraram que tal estado termodinâmico é estável para qualquer elemento.

A técnica de aprendizagem que a equipa desenvolveu para a máquina pode ser útil para modelar o comportamento de outras substâncias, diz Marius Millot, que estuda materiais sob condições extremas no Laboratório Nacional Lawrence Livermore.

“Grande parte da matéria no universo está sob pressões e temperaturas elevadas, como o interior de planetas e estrelas, por exemplo”, acrescenta.

 

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ESTADOS EXÓTICOS

Esta fase, agora confirmada, de cadeia-fundida do potássio, junta-se a um vasto leque de outros estados fora do comum, para além do sólido, líquido e gasoso.

Plasma: Uma forma superaquecida de gás na qual os núcleos atómicos são separados dos seus eletrões, podendo gerar campos elétricos e magnéticos e ser afetada pelos mesmos.

Condensado de Bose-Einstein: Formado apenas em temperaturas próximas de zero absoluto, todos os átomos deste material começam a agir como uma única partícula.

Supercondutor: Um estado atingido quando certos metais são arrefecidos a baixas temperaturas, e a eletricidade pode atravessá-los sem resistência.

Superfluido: Um líquido arrefecido até quase zero absoluto, de modo a que consiga fluir sem atrito.

Matéria Degenerada: Encontrada apenas sob pressões extremamente elevadas atingidas em anãs brancas e estrelas de neutrões, dois tipos de estrelas mortas.

Plasma de quark-glúon: Um estado no qual protões e neutrões se dissolvem nos seus componentes quark, conseguindo mover-se livremente entre as partículas, chamadas glúons, que carregam a força forte.

 

Este artigo foi publicado originalmente em inglês no site nationalgeographic.com

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