Cientistas transformaram água pura em metal

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O brilho dourado da água metalizada. Crédito: Philip E. Mason.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

A água pura é um isolante quase perfeito.

Sim, a água encontrada na natureza conduz eletricidade – mas isso é por causa das impurezas nela, que se dissolvem em íons livres que permitem que uma corrente elétrica flua. A água pura só se torna “metálica” – eletronicamente condutora – em pressões extremamente altas, que estão além de nossa capacidade atual de produzir em laboratório.

Mas, como os pesquisadores agora demonstraram pela primeira vez, não são apenas as altas pressões que podem induzir essa metalicidade na água pura.

Ao colocar a água pura em contato com um metal alcalino de compartilhamento de elétrons – neste caso, uma liga de sódio e potássio – partículas carregadas em movimento livre podem ser adicionadas, tornando a água metálica.

A condutividade resultante dura apenas alguns segundos, mas é um passo significativo para sermos capazes de entender essa fase da água estudando-a diretamente.

“Você pode ver a transição de fase para água metálica a olho nu!”, disse o físico Robert Seidel, do Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, na Alemanha. “A gota prateada de sódio-potássio é coberta com um brilho dourado, o que é muito impressionante”.

Sob pressões altas o suficiente, praticamente qualquer material poderia, teoricamente, se tornar condutor. A ideia é que, se você pressionar os átomos com força suficiente, os orbitais dos elétrons externos começarão a se sobrepor, permitindo que eles se movam. Para a água, essa pressão é de cerca de 48 megabares – pouco menos de 48 milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra ao nível do mar.

Embora pressões que excedam isso tenham sido geradas em um ambiente de laboratório, tais experimentos seriam inadequados para estudar água metálica. Assim, uma equipe de pesquisadores liderada pelo químico orgânico Pavel Jungwirth, da Academia de Ciências da República Tcheca, voltou-se para os metais alcalinos.

Essas substâncias liberam seus elétrons externos com muita facilidade, o que significa que podem induzir as propriedades de compartilhamento de elétrons da água pura altamente pressurizada sem as altas pressões. Há apenas um problema: os metais alcalinos são altamente reativos com água líquida, às vezes até o ponto de explosividade (há um vídeo muito legal abaixo). Jogue o metal na água e você obterá uma surpresa!

A equipe de pesquisa encontrou uma maneira muito bacana de resolver esse problema. E se, em vez de adicionar o metal à água, fosse adicionada água ao metal?

Em uma câmara a vácuo, a equipe começou extrudando de um bico injetor uma pequena bolha de liga de sódio-potássio, que é líquida à temperatura ambiente, e com muito cuidado adicionou uma fina película de água pura usando deposição de vapor.

Com o contato, os elétrons e cátions metálicos (íons carregados positivamente) fluíram da liga para a água.

Isso não apenas deu à água um brilho dourado, mas também tornou a água condutora – exatamente como deveríamos ver na água pura metálica em alta pressão.

Isso foi confirmado usando espectroscopia de reflexão óptica e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X e radiação síncrotron. As duas propriedades – o brilho dourado e a banda condutiva – ocupavam duas faixas de frequência diferentes, o que permitia que ambas fossem identificadas com clareza.

Além de nos dar uma melhor compreensão dessa transição de fase aqui na Terra, a pesquisa também poderia permitir um estudo detalhado das condições de extrema alta pressão dentro de grandes planetas.

Nos planetas gelados do Sistema Solar, Netuno e Urano, por exemplo, acredita-se que o hidrogênio líquido metálico se mexe em um turbilhão. E é apenas em Júpiter que as pressões são consideradas altas o suficiente para metalizar a água pura.

A perspectiva de ser capaz de replicar as condições dentro do colosso planetário do nosso Sistema Solar é realmente emocionante.

“Nosso estudo não apenas mostra que a água metálica pode de fato ser produzida na Terra, mas também caracteriza as propriedades espectroscópicas associadas ao seu belo brilho metálico dourado”, disse Seidel.

A notícia foi divulgada na Nature.