Hidreto de ouro: descoberta acidental em experimento de alta pressão

Em um experimento de laboratório com altíssima pressão, cientistas acabaram sintetizando por acaso um novo composto: o hidreto de ouro. Esse hidreto específico surgiu quando uma folha fina de ouro entrou em contato com hidrogénio denso sob pressões centenas de milhares de vezes maiores do que a atmosfera da Terra e temperaturas extremamente elevadas.

O achado contraria a fama do ouro como metal quase inerte e evidencia como condições extremas conseguem forçar materiais conhecidos a assumir formas pouco usuais.

Ao produzir hidreto de ouro em ambiente controlado, os pesquisadores também criaram uma via para investigar hidrogénio denso, semelhante ao que existe no interior de planetas gigantes e em estrelas onde ocorre fusão.

Criando hidreto de ouro

A pesquisa foi liderada por Mungo Frost, cientista do corpo técnico do Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), cujo trabalho explora o comportamento de materiais submetidos a pressões e temperaturas extremas.

Em experiências desse tipo, o ouro costuma ser escolhido justamente por reagir muito pouco, funcionando como um absorvedor “passivo” de raios X capaz de aquecer o material ao redor.

Por essa razão, a expectativa era que o ouro permanecesse inerte ao longo do ensaio, já que normalmente é quimicamente pouco reativo e é usado rotineiramente como absorvedor de raios X.

Ainda assim, a reação inesperada levou à primeira confirmação, em laboratório, de um composto sólido formado apenas por átomos de ouro e de hidrogénio.

Laboratório construído para estudar diamantes

O objetivo inicial do experimento era medir quanto tempo hidrocarbonetos simples levam para se transformar em diamante sob pressão esmagadora e calor intenso.

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

O aquecimento a laser dentro dessas células permite analisar materiais em condições extremas de pressão, como destacado em uma revisão recente sobre o uso de bigornas de diamante.

No European XFEL, na Alemanha, pulsos de raios X atingiram uma folha fina de ouro dentro da amostra; essa folha, por sua vez, aqueceu os hidrocarbonetos ao redor.

A equipa elevou a pressão até um nível comparável ao do manto inferior da Terra e, em seguida, atingiu a amostra com sequências (“trens”) de pulsos de raios X.

Nessas condições, o estudo relata que o hidreto de ouro apareceu em temperaturas acima de aproximadamente 1.927 °C e sob pressões muito além das do manto terrestre.

Os padrões de espalhamento de raios X confirmaram que os átomos de carbono passaram a uma rede cristalina organizada de diamante, em concordância com o que os pesquisadores já esperavam a partir de trabalhos anteriores.

Ao mesmo tempo, sinais nos dados indicaram que átomos de hidrogénio estavam a entrar na rede cristalina do ouro, formando hidreto de ouro e alterando a forma como o metal espalhava raios X.

Hidreto de ouro e formação de planetas

Sob pressão e calor, o hidrogénio assumiu um estado superiônico - uma fase em que os átomos se movem como um líquido dentro de um sólido -, tornando o hidreto de ouro eletricamente condutor.

Como o hidrogénio costuma espalhar muito pouco os raios X, a equipa acompanhou as mudanças na rede do ouro para inferir como esses átomos leves estavam a deslocar-se.

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

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

Nesses ambientes, o hidrogénio é comprimido a tal ponto que se comporta mais como um fluido denso e eletricamente condutor do que como um gás simples.

Pesquisas recentes mostraram que estados superiônicos em misturas de sílica com água e de sílica com hidrogénio podem ajudar a explicar os campos magnéticos de planetas gigantes.

O hidreto de ouro oferece um cenário controlado no qual a estrutura e o movimento do hidrogénio denso podem ser medidos, dando aos teóricos um alvo mais claro para cálculos planetários.

Novo olhar para a pesquisa em fusão

Estrelas como o Sol brilham porque a gravidade comprime o hidrogénio até que os núcleos se fundam, e a pesquisa em fusão tenta reproduzir essas condições em experiências na Terra.

Modelos confiáveis de hidrogénio denso - isto é, hidrogénio comprimido a pressões e densidades extraordinárias - são essenciais para entender como o combustível de fusão se comporta.

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

Ao determinar como o hidrogénio se move através do ouro em determinadas pressões e temperaturas, as medições fornecem aos modeladores de fusão um ponto de referência para testar os seus cálculos.

Redefinindo “metais não reativos”

Na química do dia a dia, o ouro é classificado entre os metais nobres, que raramente formam compostos - motivo pelo qual joias mantêm o brilho por décadas.

Nos testes, o ouro formou um hidreto que incorporava mais hidrogénio à medida que a pressão aumentava, mas voltava a se separar em ouro “puro” quando as condições se tornavam menos severas.

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

Trabalhos em alta pressão já mostraram que elementos tidos como pouco reativos, como o xenônio, conseguem formar compostos; o hidreto de ouro reforça, portanto, como a química muda quando a matéria é comprimida.

Máquinas de alta tecnologia

Os experimentos dependeram do European XFEL, uma instalação poderosa de laser de raios X capaz de fornecer milhares de pulsos por segundo a alvos.

Esses pulsos 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 - o estudo da matéria em pressões e temperaturas extremas - combina lasers intensos de raios X com células de bigorna de diamante.

À medida que essas ferramentas evoluem, de bigornas de diamante mais resistentes a fontes de raios X mais brilhantes, torna-se possível investigar estados da matéria que antes eram considerados apenas teóricos.

Hidretos de ouro e outras fases exóticas

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

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

Como hidretos de outros metais já exibem propriedades como supercondutividade, compreender o hidreto de ouro pode, no futuro, ajudar no desenho de novos materiais eletrónicos.

O aparecimento do hidreto de ouro sob stress mostra que até elementos familiares, em amostras de laboratório, podem comportar-se de modo inesperado quando as condições ultrapassam a experiência cotidiana.

Lições do hidreto de ouro

O arcabouço de simulação que descreveu o hidrogénio superiônico no ouro também consegue prever como outros elementos se comportam quando impregnados por hidrogénio em diferentes pressões e temperaturas.

Em estudos futuros, experimentos podem substituir o ouro por outros metais ou por misturas mais parecidas com materiais planetários, permitindo verificar se hidretos incomuns também emergem.

Cada composto revelado nesses extremos amplia a “tabela periódica” de fases de alta pressão e esclarece como elementos comuns se comportam quando levados ao limite.