Hidreto de ouro: o composto acidental criado sob pressões extremas

Num ensaio laboratorial de alta pressão, cientistas acabaram por produzir inadvertidamente um novo composto: o hidreto de ouro. Este hidreto surgiu quando uma folha muito fina de ouro entrou em contacto com hidrogénio denso, sob pressões centenas de milhares de vezes superiores à atmosfera terrestre e a temperaturas extremamente elevadas.

O achado põe em causa a fama do ouro como metal quase inerte e ilustra como condições extremas conseguem empurrar materiais familiares para comportamentos e estruturas inesperados.

Ao conseguirem gerar hidreto de ouro em laboratório, os investigadores criaram também uma via para estudar hidrogénio denso - semelhante ao que existe no interior de planetas gigantes e em estrelas onde ocorre fusão.

Como foi criado o hidreto de ouro

O trabalho foi liderado por Mungo Frost, cientista do quadro do Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), cuja investigação se centra em materiais sujeitos a pressões e temperaturas extremas.

Em experiências deste tipo, o ouro é normalmente escolhido precisamente por quase não reagir: funciona como um absorvedor “passivo” de raios X, aquecendo o material à sua volta.

Por esse motivo, esperava-se que o ouro permanecesse inerte durante o ensaio, já que, em condições normais, é quimicamente pouco reativo e é usado rotineiramente como absorvedor de raios X.

Ainda assim, essa reação inesperada resultou no primeiro composto sólido confirmado constituído apenas por átomos de ouro e de hidrogénio obtido em qualquer experiência laboratorial.

Um laboratório montado para estudar diamantes

A experiência, na origem, tinha outro objetivo: medir quanto tempo hidrocarbonetos simples demoram a transformar-se em diamante quando sujeitos a 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 a pressões estáticas enormes.

O aquecimento por laser dentro destas células permite estudar materiais em pressões extremas, como salientado numa análise recente sobre trabalhos com bigornas de diamante.

No European XFEL, na Alemanha, impulsos de raios X atingiram uma folha fina de ouro presente na amostra, que por sua vez aqueceu os hidrocarbonetos circundantes.

A equipa foi aumentando a pressão até valores comparáveis aos do manto inferior da Terra e, em seguida, expôs a amostra a sequências de impulsos de raios X.

Nessas condições, o estudo indica que o hidreto de ouro se formou a temperaturas acima de 3 500 °F (cerca de 1 930 °C) e a pressões muito superiores às do manto terrestre.

Os padrões de dispersão de raios X confirmaram que os átomos de carbono passaram para a rede cristalina ordenada do diamante, tal como era esperado com base em trabalhos anteriores.

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

Hidreto de ouro e formação de planetas

Quando submetido a pressão e calor, o hidrogénio tornou-se superiónico - um estado em que os átomos se movem como um líquido dentro de um sólido - o que torna o hidreto de ouro eletricamente condutor.

Como o hidrogénio, por si só, quase não dispersa raios X, a equipa acompanhou as mudanças na rede do ouro para inferir como estes átomos leves se deslocavam.

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

Modelos do interior de Júpiter apontam para uma camada de hidrogénio metálico a envolver um núcleo denso, sob pressões que excedem tudo o que existe à superfície da Terra.

Nesses ambientes, o hidrogénio é comprimido de tal forma que se comporta menos como um gás simples e mais como um fluido denso, eletricamente condutor.

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

O hidreto de ouro fornece um cenário controlado onde é possível medir a estrutura e o movimento do hidrogénio denso, oferecendo aos teóricos um alvo mais definido para cálculos planetários.

Um novo olhar para a investigação em fusão

Estrelas como o Sol brilham porque a gravidade comprime o hidrogénio até os núcleos se fundirem, e a investigação em fusão procura reproduzir condições semelhantes em experiências na Terra.

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 regime de alta densidade podem alterar de forma significativa as previsões de fusão.

Ao determinar como o hidrogénio se move através do ouro para determinadas pressões e temperaturas, estas medições oferecem aos modeladores de fusão um referencial para validar os seus cálculos.

Redefinir os “metais pouco reativos”

Na química do dia a dia, o ouro é agrupado com os metais nobres, que raramente formam compostos - razão pela qual as joias se mantêm brilhantes durante décadas.

Neste conjunto de experiências, o ouro formou um hidreto que retinha mais hidrogénio à medida que a pressão aumentava, mas voltava a separar-se em ouro “puro” quando as condições aliviavam.

Os resultados indicam que a pressão e o calor extremos podem viabilizar formas de química que não se manifestam em condições normais.

Estudos a alta pressão já mostraram que elementos tipicamente pouco reativos, como o xénon, conseguem formar compostos; assim, o hidreto de ouro reforça como a química muda quando a matéria é intensamente comprimida.

Máquinas de alta tecnologia

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

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

A ciência de alta densidade de energia - o estudo da matéria sob pressões e temperaturas extremas - combina lasers intensos de raios X 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 sondar estados da matéria que antes eram considerados puramente teóricos.

Hidretos 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 só aparecem quando os átomos são comprimidos e aquecidos.

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

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

O facto de o hidreto de ouro surgir sob esforço mostra que, mesmo com elementos familiares em amostras laboratoriais, o comportamento pode tornar-se surpreendente quando as condições ultrapassam a experiência comum.

O que se aprende com o hidreto de ouro

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

Ensaios futuros poderão substituir o ouro por outros metais ou por misturas mais próximas de materiais planetários, permitindo testar se aparecem hidretos igualmente invulgares.

Cada composto descoberto nestes extremos alarga o “inventário” de fases de alta pressão na tabela periódica e esclarece como elementos comuns reagem quando são levados ao limite.