Confirmado: nova fase da matéria é sólida e líquida ao mesmo tempo

O extraordinário material seria como uma esponja de água que também escorre em forma líquida.Tuesday, April 16, 2019

Por Adam Mann
Conforme uma pequena partícula do metal potássio é colocada em um tubo de ensaio com água, ela se move vigorosamente — se funde, apresenta efervescência e até mesmo salta, se transformando em bolhas de gás hidrogênio e hidróxido de potássio. Cientistas confirmaram que, nas condições certas de pressão e temperatura, o metal pode se tornar sólido e líquido ao mesmo tempo. "É um tanto peculiar", diz um dos autores do estudo, Andreas Hermann, da Universidade de Edimburgo.

SÓLIDO, LÍQUIDO, GASOSO ... e algo mais? Ao passo que a maioria de nós tenha aprendido na escola que a matéria assume apenas três estados, físicos descobriram diversas variedades exóticas que podem se formar em condições de temperatura e pressão extremas.

Agora, uma equipe utilizou um tipo de inteligência artificial para confirmar a existência de um novo estado da matéria, bastante bizarro, no qual átomos de potássio exibem propriedades sólidas e líquidas ao mesmo tempo. Caso fôssemos capazes de pegar um pedaço desse material, ele provavelmente se pareceria com um bloco sólido contendo potássio liquefeito que é posteriormente dissolvido.

"Seria como segurar uma esponja preenchida com água que começa a pingar, considerando que a esponja também é feita de água", explica um dos autores do estudo, Andreas Hermann, físico de matéria condensada da Universidade de Edimburgo, cuja equipe descreve o trabalho na Proceedings of the National Academy of Science.

O estado incomum assumido pelo potássio poderia existir sob as condições encontradas no manto terrestre, mas o elemento geralmente não é encontrado em sua forma pura e frequentemente está ligado a outro material. Simulações semelhantes poderiam ajudar a estudar os comportamentos de outros minerais em ambientes tão extremos.

Cristal líquido

Metais como o potássio são bastante diretos e óbvios quando observados pelo microscópio. Quando moldados em uma barra sólida, os átomos do elemento assumem fileiras ordenadas, que conduzem bem calor e eletricidade. Por muito tempo, os pesquisadores acreditaram que seriam capazes de facilmente prever o que poderia ocorrer com essas estruturas cristalinas sob pressão.

Mas há cerca de 15 anos, cientistas descobriram que o sódio, um metal com propriedades semelhantes às do potássio, assumia um comportamento peculiar quando comprimido. A uma pressão 20 mil vezes maior do que a encontrada na superfície da Terra, o sódio, de um bloco prateado, foi transformado em um material transparente que não só não conduzia eletricidade, como também impedia o seu fluxo. Ao analisar o sódio com raios X, os cientistas puderam ver que seus átomos haviam adotado uma formação complexa de cristais em vez de uma formação simples.

O potássio também foi submetido a grande escrutínio experimental. Quando comprimido a extremos semelhantes, seus átomos se rearranjam em uma formação elaborada com cinco tubos cilíndricos organizados em formato de X, com quatro longas cadeias localizadas na curvatura dessa formação, quase como dois materiais diferentes e sem interligação.

"De alguma forma, esses átomos de potássio decidem se dividir em duas estruturas unidas por uma fraca ligação", afirma Hermann. Contudo, conforme os cientistas aumentaram o calor, as imagens de raio X mostraram o desaparecimento das quatro cadeias e os pesquisadores se perguntaram o que estava acontecendo exatamente.

Hermann e seus colegas recorreram a simulações para encontrar as respostas, utilizando o que se conhece como uma rede neural — uma máquina de inteligência artificial que aprende a prever o comportamento com base em exemplos anteriores. Após ter sido treinada a respeito de pequenos grupos de átomos de potássio, a rede neural aprendeu mecânica quântica o suficiente para simular coleções contendo dezenas de milhares de átomos.

Os modelos computadorizados confirmaram que a uma pressão atmosférica cerca de 20 mil a 40 mil vezes maior e entre 400 e 800 Kelvin (126 e 526 graus Celsius), o potássio entrou em um estado chamado de chain-melted, ou estado de fusão de cadeia, no qual as cadeias se dissolveram e se transformaram em líquido, ao passo que os cristais de potássio restantes permaneceram no estado sólido.

Essa é a primeira vez que cientistas demonstraram que esse estado é estável do ponto de vista termodinâmico em qualquer elemento.

A técnica de aprendizagem de máquina desenvolvida pela equipe poderia ser usada para criar modelos do comportamento de outras substâncias, afirma Marius Millot, que estuda materiais sob condições extremas no Laboratório Nacional Lawrence Livermore.

"A maior parte da matéria presente no universo está sob alta pressão e temperatura, por exemplo, no interior de planetas e estrelas", complementa ele.

Estados exóticos

Agora que a fase de fusão de cadeia do potássio foi confirmada, ela passa a compor uma lista conhecida de outros estados incomuns da matéria que vão além do sólido, líquido e gasoso.

Plasma: Uma forma superaquecida de gás na qual os núcleos atômicos estão separados de seus elétrons, o que significa que são capazes de gerar e serem afetados por campos elétricos e magnéticos.

Condensado de Bose-Einstein: Apenas formado em temperaturas próximas do zero absoluto, todos os átomos começam a agir como uma única partícula.

Supercondutor: Um estado alcançado quando certos metais são resfriados a baixas temperaturas, permitindo a condução de eletricidade sem qualquer resistência.

Superfluido: Um líquido resfriado a quase zero absoluto, sendo capaz de fluir sem fricção e até mesmo subir pelas laterais de um recipiente e escorrer pelo lado externo.

Matéria degenerada: Apenas encontrada sob pressões extremamente altas, alcançadas em anãs brancas e estrelas de nêutrons, dois tipos de estrelas mortas.

Plasma de quark-glúon: Um estado no qual os prótons e os nêutrons se dissolvem e se transformam nos quarks que os integram, capazes de se moverem livremente entre partículas chamadas glúons que carregam a força forte.

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