Óxido de magnésio resiste a 13.200 K: o sólido mais quente já medido

Experimentos com laser mostram que a direção em que o cristal é comprimido muda o caminho da transformação e que o MgO supera ferro, tântalo e diamante na resistência à fusão.

O óxido de magnésio, um dos minerais mais abundantes do manto da Terra, continua sólido a 13.200 kelvin quando comprimido a 572 gigapascals, o que faz dele o sólido mais quente já medido em condições de interior planetário, segundo um novo estudo publicado na Physical Review X.

O resultado importa porque esse mineral deve formar uma fatia enorme do manto profundo das super-Terras e do núcleo de Júpiter e Saturno, e saber se ele está sólido ou líquido lá dentro muda como esses mundos transportam calor e geram campos magnéticos.

Na natureza, o MgO se chama periclásio e tem a estrutura cúbica do sal de cozinha, com cada íon cercado por seis vizinhos. No manto inferior da Terra, que concentra quase metade da massa do planeta, ele se mistura ao óxido de ferro na ferropericlásio, o segundo mineral mais comum da região.

A teoria prevê que, entre 300 e 600 gigapascals, essa rede cede lugar a uma estrutura mais compacta, a B2, em que cada íon passa a ter oito vizinhos. Essas pressões não existem na Terra, cujo centro fica perto de 360 gigapascals, mas são comuns na base do manto de planetas rochosos maiores.

O estudo foi conduzido por Raymond Smith, do Lawrence Livermore National Laboratory, e June Wicks, da Universidade Johns Hopkins, com colegas das duas instituições. Os experimentos aconteceram no laser Omega-EP, do Laboratory for Laser Energetics da Universidade de Rochester.

A equipe usou pulsos de laser de um nanossegundo e 1,2 quilojoule para lançar ondas de choque através de cristais de MgO com 300 micrômetros de espessura. O choque perde força enquanto avança, e um só disparo varre uma faixa contínua de pressões, como um carro que acelera e depois tira o pé.

Enquanto o choque atravessa o cristal transparente, um interferômetro mede sua velocidade e um pirômetro registra a luz da frente incandescente, convertendo a cor em temperatura, como um ferreiro avalia o calor da forja pelo brilho do metal.

Em um segundo conjunto de disparos, com pulsos de 10 nanossegundos, um lampejo de raios X de 2 nanossegundos fotografou a estrutura dos átomos no meio do choque. Foram 12 disparos em cristais cortados ao longo do eixo [111] e nove ao longo do [110], entre 295 e 611 gigapascals.

Os números pedem tradução. Os 572 gigapascals da fusão completa equivalem a 5,7 milhões de atmosferas, cerca de 1,6 vez a pressão do centro da Terra, e 13.200 kelvin é mais que o dobro da temperatura da superfície do Sol. Tudo acontece em bilionésimos de segundo, o tempo que a luz leva para percorrer 30 centímetros.

A direção do empurrão muda a coreografia dos átomos

Comprimido ao longo da diagonal principal do cubo, a direção [111], o cristal se comportou como manda a termodinâmica: dois patamares de temperatura, um para a mudança de B1 para B2, que apareceu entre 295 e 343 gigapascals, e outro para a fusão.

Comprimido ao longo da diagonal de uma face, a direção [110], o mesmo cristal mostrou um único salto de temperatura, de 1.300 kelvin, e a fase B2 só surgiu a 425 gigapascals, cerca de 80 gigapascals mais tarde.

Acima de 572 gigapascals, com incerteza de 24, as diferenças desaparecem e todas as orientações derretem por completo a 13.200 kelvin, com incerteza de 600. Nessas pressões, o MgO supera ferro, tântalo, sílica, bridgmanita e até o diamante na resistência à fusão.

A explicação está no caminho que os átomos seguem. Há duas rotas conhecidas de B1 para B2, o mecanismo de Buerger e o mecanismo WTM, e um modelo de difração mostrou que o cristal [111] usa a primeira e os cristais [110] e [100], a segunda.

Nas orientações que não acionam a rota de Buerger, a tensão de cisalhamento se acumula até cerca de 400 gigapascals. Então uma camada finíssima na frente de choque se desordena por um instante, como uma multidão que perde a formação numa porta estreita, e recristaliza logo atrás.

Esse salto já tinha sido visto em outros materiais e lido como superaquecimento, mas a difração mostrou cristais intactos acima dele. “A orientação cristalográfica pode controlar a cinética das transições de fase sob carregamento dinâmico“, escreveram os autores no artigo.

A fase B2 resiste tanto ao calor porque seu empacotamento mais denso reforça a atração elétrica entre os íons de magnésio e oxigênio. “A intuição química baseada nas ligações em condições ambientes pode ser enganosa em pressões extremas“, escreveram os autores no artigo.

Para os planetas, a curva de fusão sugere MgO cristalino nos núcleos de Saturno e de Júpiter, mas um líquido condutor de eletricidade no núcleo do exoplaneta CoRoT-9b, a cerca de 30.000 kelvin. Nas super-Terras, 572 gigapascals equivale à base do manto de um planeta com quatro a cinco massas terrestres.

O estudo tem limites. A compressão é uniaxial, e a pressão medida pode incluir tensões de cisalhamento; a difração não enxerga o MgO líquido; a curva de fusão nos núcleos gigantes é uma extrapolação; e a camada desordenada é inferida, não observada em si.

O próximo passo é repetir o teste em outros minerais do manto e revisar curvas de fusão antigas que podem ter sido subestimadas.

O estudo foi publicado na revista Physical Review X.

Saiba mais: https://doi.org/10.1103/vt45-32bb