Ciência

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.

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.

 

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.

 

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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