Hidrreto de ouro: o composto inesperado criado sob pressão extrema

Numa experiência de laboratório realizada sob condições de enorme pressão, investigadores criaram acidentalmente um novo composto, o hidreto de ouro. Este hidreto formou-se quando uma folha fina de ouro entrou em contacto com hidrogénio densamente comprimido, a pressões centenas de milhares de vezes superiores à da atmosfera terrestre e a temperaturas elevadíssimas.

A descoberta põe em causa a reputação do ouro como metal quase inerte e mostra até que ponto ambientes extremos conseguem forçar materiais bem conhecidos a assumir formas pouco familiares.

Ao produzirem hidreto de ouro em laboratório, os cientistas abriram também uma via para estudar hidrogénio denso semelhante ao existente no interior de planetas gigantes e de estrelas onde ocorre fusão.

Criar hidreto de ouro no laboratório

O trabalho foi liderado por Mungo Frost, cientista do corpo permanente no Centro de Acelerador Linear de Stanford (SLAC), cuja investigação se centra em materiais sujeitos a pressões e temperaturas extremas.

Em experiências deste tipo, o ouro é frequentemente escolhido precisamente por quase não reagir: funciona como um absorvedor passivo de raios X, aquecendo o material em redor.

Por esse motivo, esperava-se que o ouro se mantivesse inerte ao longo do ensaio, já que, em condições normais, é quimicamente pouco reactivo e é usado rotineiramente como absorvedor de raios X por essa mesma razão.

Ainda assim, a reacção inesperada deu origem ao primeiro composto sólido confirmado, produzido em laboratório, composto apenas por átomos de ouro e de hidrogénio.

Um laboratório pensado para estudar diamantes

Na base do estudo estava outro objectivo: medir quanto tempo os hidrocarbonetos simples demoram a transformar-se em diamante sob pressão esmagadora e calor intenso.

Para isso, os investigadores comprimiram minúsculas gotas de hidrocarboneto entre as pontas de uma célula de bigorna de diamante, um dispositivo que aprisiona amostras sob pressões estáticas enormes.

O aquecimento por laser dentro destas células permite analisar materiais em regimes extremos de pressão, tal como foi descrito numa revisão recente sobre trabalhos com bigornas de diamante.

Na instalação European XFEL, na Alemanha, impulsos de raios X atingiram uma folha fina de ouro colocada na amostra, e essa folha aqueceu os hidrocarbonetos circundantes.

A equipa aumentou a pressão até níveis comparáveis aos do manto inferior da Terra e, de seguida, expôs a amostra a sequências de impulsos de raios X.

Nessas condições, o estudo relata a formação de hidreto de ouro a temperaturas acima de 1 927 °C e sob pressões muito superiores às do manto terrestre.

Os padrões de espalhamento de raios X confirmaram que os átomos de carbono se reorganizaram na rede cristalina ordenada do diamante, em linha com o que os investigadores já esperavam a partir de trabalhos anteriores.

Ao mesmo tempo, sinais nos dados mostraram átomos de hidrogénio a entrar na rede do ouro, formando hidreto de ouro e modificando a forma como o metal espalhava os raios X.

Hidrreto de ouro e formação de planetas

Com pressão e temperatura elevadas, o hidrogénio passou ao estado superiónico - uma condição em que os átomos se movem como um líquido dentro de um sólido - tornando o hidreto de ouro condutor.

Como o hidrogénio, em geral, quase não espalha raios X, a equipa acompanhou as alterações na rede do ouro para deduzir como estes átomos leves se deslocavam.

Simulações e medições indicam que, a alta temperatura, o hidrogénio se difunde rapidamente através da rede hexagonal do ouro, mas separa-se quando a amostra arrefece.

Modelos do interior de Júpiter sugerem a existência de uma camada de hidrogénio metálico a rodear um núcleo denso, a pressões muito além de qualquer coisa observada à superfície da Terra.

Nesses ambientes, o hidrogénio fica tão comprimido que se comporta mais como um fluido denso e electricamente condutor do que como um gás simples.

Trabalhos recentes mostraram que estados superiónicos em misturas de sílica-água e sílica-hidrogénio podem ajudar a explicar campos magnéticos em planetas gigantes.

O hidreto de ouro oferece um cenário controlado no qual é possível medir a estrutura e o movimento do hidrogénio denso, dando aos teóricos um alvo mais definido para cálculos sobre planetas.

Uma nova perspectiva sobre investigação em fusão

Estrelas como o Sol brilham porque a gravidade comprime o hidrogénio até os núcleos se fundirem; investigadores de fusão tentam recriar, na Terra, condições semelhantes em experiências.

Modelos fiáveis de hidrogénio denso - hidrogénio comprimido a pressões e densidades extraordinárias - são essenciais para compreender o comportamento do combustível de fusão.

As simulações indicam que mesmo pequenas incertezas no comportamento do hidrogénio em regimes de alta densidade podem alterar de forma significativa as previsões sobre fusão.

Ao determinar com precisão como o hidrogénio se move no interior do ouro para determinadas pressões e temperaturas, as medições fornecem aos modeladores de fusão um ponto de referência para validar os seus cálculos.

Redefinir “metais não reactivos”

Na química do dia a dia, o ouro é incluído entre os metais nobres, que raramente formam compostos - uma das razões pelas quais as jóias se mantêm brilhantes durante décadas.

Nestes ensaios, o ouro formou um hidreto que reteve mais hidrogénio à medida que a pressão aumentava, mas voltou a separar-se em ouro simples quando as condições se tornaram menos extremas.

Os resultados indicam que pressão e calor extremos podem viabilizar formas de química que não acontecem em condições normais.

Sabe-se, a partir de estudos a alta pressão, que elementos considerados pouco reactivos, como o xénon, conseguem formar compostos; o hidreto de ouro reforça, assim, como a química muda quando a matéria é comprimida.

Máquinas de alta tecnologia

As experiências dependeram do European XFEL, uma instalação de laser de raios X muito potente, capaz de fornecer milhares de impulsos por segundo a alvos experimentais.

Esses impulsos depositam energia na folha de ouro, permitindo aquecer rapidamente a amostra enquanto a célula de bigorna de diamante mantém a pressão.

A ciência de alta densidade de energia, que estuda a matéria sob pressões e temperaturas extremas, recorre a lasers intensos de raios X em conjunto com células de bigorna de diamante.

À medida que estas ferramentas evoluem - desde bigornas de diamante mais resistentes até fontes de raios X mais brilhantes - os investigadores conseguem explorar estados da matéria que antes eram considerados apenas teóricos.

Hidrretos de ouro e outras fases exóticas

O hidreto de ouro passa a integrar um catálogo de fases exóticas, incluindo água superiónica e compostos de sílica, que surgem apenas quando os átomos são comprimidos e aquecidos.

Muitas destas fases desaparecem quando a pressão ou a temperatura descem; ainda assim, a sua existência ajuda a explicar como os planetas transportam calor e geram campos magnéticos.

Como hidretos de outros metais já exibem propriedades como supercondutividade, compreender o hidreto de ouro poderá, um dia, contribuir para o desenho de novos materiais electrónicos.

O aparecimento do hidreto de ouro sob esforço extremo mostra que até elementos familiares em amostras laboratoriais podem comportar-se de forma inesperada quando as condições ultrapassam a experiência comum.

Lições retiradas do hidreto de ouro

A estrutura de simulação que captou o comportamento do hidrogénio superiónico no ouro consegue prever como outros elementos se comportam quando são impregnados com hidrogénio sob diferentes pressões e temperaturas.

Em experiências futuras, será possível substituir o ouro por outros metais ou por misturas mais próximas dos materiais planetários, permitindo testar se surgem hidretos invulgares.

Cada composto identificado nestes extremos alarga o “catálogo” de fases de alta pressão na tabela periódica e esclarece como elementos comuns se comportam quando são levados ao limite.