Single-crystal X-ray diffraction of BC8 carbon near terapascal pressures
Este estudo relata a primeira identificação cristalográfica direta da fase de carbono BC8, há muito prevista, como um monocristal formado a partir de carbono fundido sob pressões de terapascais, resolvendo décadas de incerteza em relação às estruturas do carbono além do diamante.
Artigo original sob licença CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelo autor. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo
Nas profundezas dos núcleos de planetas como Urano e Netuno, e talvez no coração de mundos distantes e exóticos, o carbono existe sob condições que desafiam nossa experiência cotidiana. As pressões lá são tão imensas que são medidas em terapascais — uma unidade tão grande que é difícil de visualizar, representando forças milhões de vezes maiores do que o peso da atmosfera pressionando sobre nós ao nível do mar. Sob tal peso esmagador, as formas familiares de carbono que conhecemos, como o grafite macio de um lápis ou o diamante duro de um anel, devem mudar. Por décadas, cientistas usaram computadores poderosos para prever que, nessas profundidades extremas, o carbono deveria se rearranjar em uma nova estrutura ainda mais densa, chamada BC8. Essa forma teórica é considerada mais compactamente agrupada do que o diamante, mas, apesar de quarenta anos de busca, ninguém jamais a tinha visto diretamente. A questão permanecia: essa fase oculta da matéria realmente existe ou é apenas um fantasma matemático?
Uma equipe de pesquisadores respondeu agora a essa pergunta ao criar a primeira evidência cristalográfica direta do carbono BC8. Para encontrá-lo, eles não esperaram que a natureza fornecesse as condições; em vez disso, recriaram-nas em um laboratório usando um laser de alta potência. Ao disparar um pulso de luz breve e intenso contra um único cristal de diamante, eles geraram uma onda de choque que viajou através do material, comprimindo-o a pressões entre 1,1 e 1,2 terapascais. Esse processo foi tão rápido que ocorreu em um bilionésimo de segundo, mas foi rápido o suficiente para derreter o diamante em um estado líquido e, conforme a onda de choque enfraquecia, permitir que os átomos de carbono esfriassem e se reformassem em um sólido. Os pesquisadores capturaram esse momento fugaz disparando um pulso sincronizado de raios X na amostra, que agiu como o flash de uma câmera de alta velocidade, congelando a estrutura atômica no lugar.
As imagens resultantes não foram os padrões borrados e arrastados que se poderia esperar de um evento tão caótico. Em vez disso, os raios X produziram pontos nítidos e distintos, muito parecidos com os reflexos claros vistos quando a luz atinge uma pedra preciosa lapidada. Esses pontos são a assinatura de um cristal e, ao medir os ângulos e as distâncias entre eles, os cientistas puderam mapear o arranjo exato dos átomos de carbono. O padrão que encontraram coincidiu perfeitamente com a geometria prevista da estrutura BC8. Isso foi um avanço significativo porque experimentos anteriores só haviam sido capazes de supor a estrutura com base em sinais amplos e nebulosos, ou haviam falhado em ver qualquer nova fase. Neste estudo, os pesquisadores conseguiram provar que o carbono de fato se transformou em um único cristal coerente de BC8, em vez de permanecer como diamante ou transformar-se em um líquido desordenado.
O experimento também revelou algo crucial sobre como essa transformação acontece. Descobriu-se que simplesmente espremer o carbono com pressão não é suficiente para forçá-lo à forma BC8; o material também deve ser aquecido e depois resfriado de uma maneira específica. O diamante teve que derreter primeiro, permitindo que os átomos tivessem a liberdade de se mover e encontrar suas novas posições mais apertadas antes de travarem no lugar. Essa descoberta explica por que tentativas anteriores de criar o BC8 falharam; esses experimentos frequentemente mantinham o carbono sólido o tempo todo, prendendo-o em sua forma de diamante. Ao guiar o carbono através de um estado líquido, os pesquisadores desbloquearam um caminho que a natureza provavelmente utiliza nos interiores profundos dos planetas.
A densidade deste carbono BC8 recém-observado foi medida em aproximadamente 7,19 gramas por centímetro cúbico, um valor que se ajusta às previsões teóricas para esta fase de alta pressão. Os pesquisadores observaram que a estrutura cristalina apresentava leves distorções, provavelmente devido ao calor extremo e à pressão desigual durante o experimento de fração de segundo, mas a identidade central do material era inconfundível. Esta descoberta faz mais do que apenas confirmar uma teoria de longa data; ela fornece um parâmetro concreto para entender a composição de planetas ricos em carbono e melhora nosso conhecimento sobre como os materiais se comportam sob as condições mais extremas imagináveis. Também abre as portas para estudos futuros, sugerindo que, se os cientistas conseguirem aprender a capturar e manter este material, poderão um dia estudar suas propriedades únicas, como se é mais duro que o diamante ou como conduz eletricidade. Por enquanto, a busca de décadas para encontrar a fase BC8 do carbono passou do reino das simulações de computador para a realidade do laboratório.
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