Veja como átomos de ferro se organizam nas condições extremas do núcleo da Terra

A pressão no núcleo externo da Terra varia entre 135 e 330 Gigapascais, equivalentes a 1,3 e 3,3 milhões de atmosferas terrestres. Além disso, a temperatura por lá fica entre 3.727 e 4.727 graus Celsius — são condições extremas o suficiente para alterar a estrutura dos cristais de ferro. Mas o que acontece exatamente? Como os átomos se organizam no núcleo? Foi isso o que os cientistas descobriram ao recriar essas condições em laboratório.

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Em condições normais da superfície da Terra, a estrutura dos cristais do ferro é uma rede cúbica de átomos organizados em uma espécie de grade. Em cada canto desses cubos e no centro, há um átomo. Quando o ferro é comprimido através de pressão extremamente alta, essa rede se adapta no formato hexagonal para que mais átomos sejam acomodados no mesmo volume de espaço. Mas essa ainda não é a situação no centro da Terra.

Para descobrir o que acontece com os cristais de ferro em condições ainda mais extremas, uma equipe do National Accelerator Laboratory (SLAC) nos EUA implantou dois lasers que, juntos, simularam o núcleo externo terrestre. O primeiro é um laser óptico, que foi disparado contra uma amostra microscópica de ferro, submetendo-a a um choque que gerou intensa pressão e calor — mais precisamente 187 Gigapascais de pressão e temperaturas de até 4.070 Kelvin.

A próxima etapa foi medir a estrutura atômica do ferro durante esse processo para, enfim, descobrir a estrutura dos cristais no centro de nosso planeta. Para isso, a equipe usou o Linac Coherent Light Source (LCLS), um laser que gera “instantâneos” de raios-X dos átomos e moléculas. O LCLS do SLAC foi projetado justamente para fornecer detalhes das disposições atômicas em escalas de tempo ultrarrápidas, com objetivo de estudar processos fundamentais em materiais.

Essa última etapa é incrivelmente rápida, fazendo medições em um bilionésimo de segundo, de acordo com Arianna Gleason, do SLAC. As imagens resultantes foram compiladas em uma sequência e revelaram que os átomos de ferro da rede, naquelas condições, passam a compartilhar espaço por vários cristais de maneira simétrica. As formas hexagonais giram em quase 90 graus para formar uma rede que resista às pressões e temperaturas extremas.

Esse mecanismo para lidar com o estresse é chamado de "geminação". É quando o arranjo dos átomos se desvia para o lado, girando todos os prismas hexagonais em quase 90 graus; isso ocorre em diversos metais e minerais como o quartzo, calcita, titânio e zircônio. “A geminação permite que o ferro seja incrivelmente forte - mais forte do que pensávamos — antes de começar a fluir plasticamente em escalas de tempo muito mais longas”, disse Gleason.

Essa foi a primeira vez que uma equipe conseguiu medir o comportamento dos cristais de ferro em condições tão extremas. Isso é importante não apenas para entender melhor o núcleo de nosso próprio planeta, mas também para modelar e simular outros objetos espaciais distantes. Um exemplo são os asteroides altamente metálicos que, de acordo com as suspeitas dos astrônomos, são núcleos expostos de protoplanetas que não evoluíram. Compreender esses e outros corpos, como os demais planejas rochosos, ajudará a entender melhor a história do próprio Sistema Solar.

O estudo foi publicado no Physical Review Letters.

Fonte: SLAC, Science Alert