Sob uma pressão esmagadora, o diamante mantém-se diamante até, de repente, se transformar num líquido de carbono metálico.
O diamante tem fama de ser indestrutível. É o material mais duro do mundo natural.
Mas basta atingir um pedacinho com pressões milhões de vezes maiores do que a atmosfera e temperaturas mais quentes do que a superfície do Sol, e até o diamante derrete.
A surpresa é o que ele não faz primeiro, diz o ZME Science.
Em experiências no Omega Laser Facility, em Rochester, no estado de Nova Iorque, uma equipa de físicos dispararou lasers potentes contra diamantes sintéticos e observaram a sua estrutura atómica enquanto a pressão subia até atingir a um terapascal.
O diamante manteve-se claramente diamante, com o mesmo arranjo cúbico de átomos de carbono, até a rede cristalina simplesmente desaparecer e tornar-se líquida.
Os investigadores não encontraram a fase cristalina intermédia que a teoria diz que deveria surgir a estas pressões. É como se um cubo de gelo virasse granizo quase de imediato, sem transição entre as fases.
As medições, apresentadas num artigo publicado na semana passada na Nature Physics, resolvem também um desacordo com cerca de 20 anos sobre a temperatura de fusão do diamante.
Os investigadores situam-na em cerca de 7.300 kelvin, à volta de 7.000 °C, a uma pressão de cerca de um terapascal, quase 10 milhões de vezes a pressão atmosférica ao nível do mar.
É mais de 1.000 graus Celsius abaixo de uma estimativa experimental anterior, muito influente, e bem mais perto do que as simulações informáticas modernas tinham previsto.
“Conseguimos pegar em amostras minúsculas de diamante e comprimi-las por choque até temperaturas mais quentes do que a superfície do Sol e pressões mais altas do que o centro de Neptuno e Urano, e ainda assim medir a estrutura atómica, a temperatura, a densidade e a refletividade ótica”, disse Marius Millot, físico do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e autor principal do estudo, em comunicado do laboratório.
Já antes os cientistas tinham derretido diamante.
Uma experiência marcante, publicada na Nature Physics em 2009, mostrou que, sob pressão enorme, o diamante derrete e dá um fluido de carbono invulgarmente denso e condutor de eletricidade, mais denso do que o sólido.
Mas faltava explicar uma parte: a temperatura estimada a que o diamante derretia não batia certo com as simulações, e por uma margem grande, cerca de 1.500 kelvin.
Para perceber porquê, a equipa de Millot fez 19 experiências, com pressões entre cerca de 600 e 1.800 gigapascals.
O estado comprimido durou apenas nanossegundos. Nesse instante, os instrumentos seguiram a velocidade do choque, o brilho e a refletividade do diamante, enquanto raios X registavam a sua estrutura atómica.
“Foi a primeira vez que se sondou diamante comprimido por choque com difração de raios X até à fusão”, disse Millot. “Estas medições são extremamente difíceis porque o carbono é um átomo pequeno e leve. Dispersa muito poucos raios X, por isso o sinal que precisávamos de medir era bastante fraco.”
Com estas medições melhoradas, os investigadores concluíram que o diamante derrete a uma temperatura bastante mais baixa do que a experiência anterior indicava. O problema não estava na teoria: os resultados de laboratório aproximam-se agora das simulações.
Há ainda uma esquisitice quase igual à da água. Neste intervalo de pressões, o carbono líquido é mais denso do que o diamante sólido. Em princípio, um cristal de diamante poderia flutuar sobre o carbono fundido, tal como o gelo flutua na água.
O diamante recusa-se a tornar-se BC8
O segundo mistério dizia respeito a uma forma hipotética de carbono a alta pressão, chamada BC8.
Os cálculos preveem que o BC8 deveria acabar por se tornar mais estável do que o diamante cúbico comum, e experiências anteriores tinham sido interpretadas como prova de que a transformação começa por volta dos 900 gigapascals.
As novas medições de raios X mostraram outra coisa. Enquanto houve sinal de cristal, a sua densidade e o seu padrão de difração correspondiam a diamante comum. Os investigadores não viram nenhuma das linhas de difração que se esperariam de uma fase BC8 relevante.
“Achamos que é porque a amostra não tem tempo de mudar quando só sofre um único choque. Fica ‘presa’ na estrutura do diamante”, disse Millot.
Um estudo publicado em 2023 na Physical Review Letters deu uma explicação possível: um único choque súbito pode não dar aos átomos de carbono tempo, nem o caminho certo, para se reorganizarem.
Um segundo choque, feito no momento exato, poderia empurrá-los por outra via até ao BC8. Ou seja, a pressão e a temperatura, sozinhas, não determinam o destino do carbono. O caminho seguido para lá chegar, e o tempo que os átomos têm para se reorganizar, pode contar tanto como elas.
Da chuva de diamantes à energia de fusão
No National Ignition Facility, o combustível de fusão fica dentro de uma cápsula de diamante minúscula e extremamente lisa.
Os lasers empurram ondas de choque através dessa casca, que é lançada para dentro a mais de 400 quilómetros por segundo. Neste momento, os engenheiros usam um primeiro choque forte, acima de 1,2 terapascals, para garantir que o diamante derrete por completo e de forma uniforme.
A curva de fusão revista sugere que um primeiro choque mais fraco poderia servir na mesma. Isso manteria o combustível mais compressível e permitiria uma implosão final mais densa.
Segundo os cálculos dos autores do estudo, e se outras perdas de desempenho forem controladas, a mudança poderia acabar por produzir até três vezes a energia de fusão dos modelos atuais.
Há também implicações na astronomia. Pelo menos desde os anos 1980, os investigadores propõem que as pressões extremas no interior de Urano e Neptuno poderiam forçar material rico em carbono a cristalizar em diamante.
Esses diamantes afundar-se-iam depois pelo interior dos planetas, um processo muitas vezes descrito como “chuva de diamantes”.
Urano e Neptuno contêm misturas complexas de água, metano, amoníaco e outros materiais, ao passo que estas experiências estudaram o próprio diamante.
Mesmo assim, ao recriar estas pressões e medir quando é que o diamante se mantém sólido, derrete ou se torna líquido, os investigadores dão aos cientistas planetários melhores pistas para saber onde o carbono se mantém estável, e como se move, no interior profundo de um gigante gelado.
(ZAP)