Pierfranco Demontis disse em 1988: “O gelo se torna um condutor de íons rápidos em alta pressão e altas temperaturas”, mas sua previsão era apenas hipotética até recentemente. Após 30 anos de estudo, o gelo superiônico de água foi verificado experimentalmente em 2018. A superionicidade pode, finalmente, explicar o forte campo magnético no interior de planetas gigantes.
E na Terra, cujo interior também está sob condições extremas de pressão e temperatura? Embora três quartos da superfície da Terra sejam cobertos por água, água ou gelo isolados raramente existem no interior da Terra. A unidade mais comum de água é a hidroxila, que está associada aos minerais hospedeiros para torná-los minerais hidratados. Agora, um grupo de pesquisa liderado pelo Dr. Qingyang Hu, Dr. Duckyoung Kim e Dr. Jin Liu do Centro de Pesquisa Avançada de Ciência e Tecnologia de Alta Pressão descobriu que um desses minerais hidratados também entra em uma fase superiônica exótica, semelhante ao gelo de água em planetas gigantes. Os resultados foram publicados na Nature Geosciences.
“Na água superiônica, o hidrogênio é liberado do oxigênio, se torna líquido, e se move livremente dentro da rede sólida de oxigênio. Da mesma forma, estudamos um óxido-hidróxido de ferro mineral hidratado (FeOOH), e os átomos de hidrogênio se movem livremente na rede de oxigênio sólido de FeO2 “, disse o Dr. He, que conduziu a simulação computacional.
“Ele se desenvolveu na fase superiônica acima de cerca de 1700 ° C e 800 mil vezes a pressão atmosférica normal. Essas condições de pressão e temperatura garantem que uma grande parte do manto inferior da Terra possa hospedar o mineral hidratado superiônico. Essas regiões profundas podem ter rios feitos de prótons, que podem fluir através dos sólidos” acrescentou o Dr. Kim.
Guiados por suas previsões teóricas, a equipe então tentou verificar esta fase superiônica prevista em FeOOH quente, realizando experimentos de alta temperatura e alta pressão usando uma técnica de aquecimento a laser em uma célula de bigorna de diamante.
“É tecnicamente desafiador reconhecer o movimento dos átomos de H experimentalmente; no entanto, a evolução da ligação OH é sensível à espectroscopia Raman”, disse o Dr. Hu, um dos autores principais. “Então, rastreamos a evolução da ligação OH e capturamos esse estado exótico em sua forma normal.”
Eles descobriram que a ligação OH enfraquece abruptamente acima de 73 mil vezes a pressão atmosférica normal, junto com o enfraquecimento de ~ 55% da intensidade do pico OH Raman. Esses resultados indicam que algum H + pode ser deslocado do oxigênio e tornar-se móvel, enfraquecendo a ligação OH, consistente com as simulações. “O amolecimento e o enfraquecimento da ligação OH em condições de alta pressão e temperatura ambiente só podem ser considerados como um precursor do estado superiônico porque a alta temperatura é necessária para aumentar a mobilidade além da célula unitária”, explicou o Dr. Hou.
Em materiais superiônicos, haverá uma mudança de condutividade óbvia, que é uma evidência robusta de superionização. A equipe mediu a evolução da condutividade elétrica da amostra em condições de alta temperatura e pressão. Eles observaram um aumento abrupto na condutividade elétrica em torno de 1500-1700 ° C e 121 mil vezes a pressão atmosférica normal, indicando que o hidrogênio difusivo cobriu toda a amostra sólida e, portanto, entrou em um estado superiônico.
“O FeO2Hx do tipo pirita é apenas o primeiro exemplo de fases superiônicas no manto inferior profundo”, observou o Dr. Liu, co-autor principal do trabalho. “É muito provável que o hidrogênio nos óxidos densos contendo hidrogênio recentemente descobertos que são estáveis sob as condições de alto PT do manto inferior profundo, como fases hídricas densas, também possam exibir comportamento superiônico.”
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