O que acontece sob alta pressão

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Quando substâncias são pressionadas entre dois diamantes no Instituto Carnegie para a Ciência, eles realizam uma boa dose de alquimia.

Não, o ferro não se transforma em ouro, mas átomos e moléculas familiares se comportam de forma diferente. O oxigênio fica azul, depois escarlate e, enfim, vira um metal brilhante.

Como um pioneiro da área demonstrou na General Electric na 1950, o creme de amendoim se transforma em diamante. O mesmo acontece com alcatrão e madeira.

Segundo Russell J. Hemley e colegas, não se trata de truques de magia.

No Laboratório Geofísico do Instituto Carnegie, o interesse pela ciência da alta pressão nasceu da missão da entidade, estudar o interior da Terra.

Os cientistas agora utilizam as transformações de alta pressão para explorar permutações de matéria que não existem na maior parte do universo, oferecendo vislumbres do que acontece perto do núcleo da Terra ou dentro de Júpiter.

Eles também esperam que os experimentos levem a novos materiais que capturem a luz solar de forma mais eficiente em células fotoelétricas ou funcionem como tanques de combustível para carros movidos a hidrogênio. "É um novo tipo de química", disse o dr. Hemley. Certamente a abordagem dá novo sentido ao termo "alta pressão".

Ao nível do mar, a pressão atmosférica é de perto de um quilograma por centímetro quadrado. Com as bigornas de diamante do Instituto Carnegie, a pressão ultrapassa os 3,5 milhões de quilos por centímetro quadrado. Na Alemanha, pesquisadores criaram versões com mais do que o dobro dessa capacidade. Mesmo assim, determinados lugares do universo são muito mais esmagadores.

A pressão no núcleo de Júpiter é superior a 70 milhões de quilos por centímetro quadrado. Além disso, existem as estrelas de nêutrons, os destroços de sóis que queimaram todo o seu combustível, onde a gravidade junta os átomos tão próximos uns dos outros que, segundo estimativas, a pressão chega a bilhões de trilhões de vezes a do núcleo de Júpiter.

Aparentemente, as bigornas usadas no Carnegie e outros laboratórios não têm nada de especial. Os projetos variam, mas a armação costuma ser um cilindro de metal em formato de panqueca, com cinco centímetros por 2,5 centímetros. Para exercer pressão, os cientistas às vezes apertam os parafusos no topo, juntando as placas de cima e de baixo. A curvatura das duas placas junta as pontas de dois pequenos diamantes.

Numa ponta, um entalhe que foi talhado para aprisionar o material que será espremido. A outra ponta pressiona para baixo, como a ponta de um salto alto esmagando um inseto.

Os parafusos aplicam somente alguns quilos de força, mas eles são traduzidos numa pressão tremenda, pois as pontas dos diamantes são muito pequenas. É como se cem elefantes pressionassem a ponta de um lápis, caso fosse possível encontrar um lápis capaz de segurar todos esses elefantes. Os diamantes se despedaçam caso tenham algum defeito minúsculo.

Sob pressões modestas, os átomos se empilham de forma organizada, como balas de canhão, e os cientistas esperam que eles mantenham esse padrão enquanto são espremidos.

Porém, embora a distância entre os átomos diminua, eles não permanecem em pilhas organizadas. Por exemplo, o sódio se transforma em arranjos muito mais complexos. O nitrogênio que normalmente flutua em pares parecidos com halteres, termina numa configuração de treliça entrelaçada.

Enquanto os átomos convergem, os elétrons são esguichados para locais diferentes, reconfigurando as moléculas de que fazem parte. "De certa forma, você tem uma tabela periódica nova e diferente", explicou o dr. Hemley. Até mesmo gases nobres como o xenônio, que raramente interagem com outros átomos, se entrelaçam com o hidrogênio para formar novas estruturas.

Malcolm McMahon, da Universidade de Edimburgo, Escócia, estava curioso com o oxigênio vermelho. Dentro de uma bigorna, sua equipe criou um rubi de cristal de oxigênio. Os átomos de oxigênio, geralmente unidos em pares, foram pressionados em grupos de oito. Essa estrutura absorveu o azul, o comprimento de onda mais curto da luz. Os comprimentos de onda restantes – vermelho – atravessam. Sob pressões elevadas contínuas, o oxigênio vira metal.

Talvez o maior enigma envolva o átomo mais simples e abundante, o hidrogênio. Sob pressões extremas no centro de Júpiter, acredita-se que o hidrogênio entre num estado metálico líquido, com os fluxos agitados gerando os campos magnéticos do planeta. No laboratório, não se atingiu esse objetivo. A espaçonave Juno, da NASA, vairealizar medições que vão revelar aspectos do interior do planeta. Experimentos do laboratório poderiam ajuar interpretar os resultados da Juno.