Cientistas descobrem clatrato na trinitita vermelha do teste Trinity de 1945 no Novo México

Nem sempre é possível apontar o instante exato em que o mundo muda.

Ainda assim, quando a madrugada do Novo México foi rasgada às 5h29 de 16 de julho de 1945, não há dúvida de que se tratou de um marco decisivo na história humana.

Naquele momento ocorreu o teste Trinity, do Exército dos Estados Unidos: a detonação de um dispositivo de implosão de plutónio - o primeiro teste, no mundo, de uma bomba nuclear. E, passadas mais de 80 anos, os efeitos desse evento continuam a ser revelados por novas descobertas científicas.

Agora, dentro de um mineral criado na violência da primeira explosão nuclear deliberada, cientistas identificaram um cristal que, em condições mais comuns, não conseguiria existir na Terra.

"Condições extremas e transitórias produzidas por detonações nucleares podem gerar fases de estado sólido inacessíveis à síntese convencional", escreve uma equipa liderada pelo geólogo Luca Bindi, da Universidade de Florença, em Itália.

"Relatamos a descoberta de um clatrato tipo I de silicato de cálcio e cobre, até então desconhecido, formado durante o teste nuclear Trinity de 1945; o primeiro clatrato com confirmação cristalográfica identificado entre produtos de explosões nucleares."

O teste Trinity e a origem da trinitita

A própria explosão foi tão dramática quanto se poderia esperar de um acontecimento tão devastador.

A libertação de energia equivaleu a 21 quilotoneladas de TNT. O impacto vaporizou a torre de testes de 30 metros (98 pés) e a infraestrutura de cobre ao redor - incluindo cabos e instrumentos usados para registar a detonação.

A bola de fogo resultante fundiu a torre e o cobre com o asfalto e a areia do deserto que foram sugados para a nuvem em forma de cogumelo, transformando a mistura num material vítreo e inédito, mais tarde batizado de trinitita.

O que é um clatrato e por que ele é tão raro

É dentro desse material que os investigadores têm encontrado estruturas pouco usuais. Em 2021, Bindi e colegas já haviam descrito um quasicristal inesperado numa forma rara e vermelha de trinitita, que contém metal proveniente da torre, dos cabos e dos instrumentos de medição - e, agora, essa mesma variante do material trouxe outra surpresa.

Bem ao lado do quasicristal, os cientistas encontraram um clatrato - uma estrutura cristalina em que os átomos se organizam numa rede em forma de “gaiola”, capaz de aprisionar outros átomos no interior.

O termo cristal descreve a maneira como os átomos se dispõem dentro de certos materiais, e a maioria dos cristais se forma em condições estáveis. Já os clatratos inorgânicos são especiais porque dependem de condições muito específicas para se formar e, por isso, quase não aparecem na natureza.

Durante a explosão Trinity, algumas dessas condições existiram por um curto intervalo: choque extremo, temperaturas acima de 1.500 °C (cerca de 2.730 °F) e pressões entre 5 e 8 gigapascais - seguidas por uma queda rápida.

Essa mudança abrupta, acompanhada de arrefecimento acelerado, permitiu que os átomos na trinitita se organizassem em configurações incomuns e, em seguida, ficassem “travados” no lugar, originando estruturas que, de outra forma, não teriam como se formar.

Em essência, o material funciona como um instante congelado, preservando um retrato mineralógico das condições brevíssimas de temperatura e pressão geradas na detonação - um verdadeiro tesouro para a ciência.

Como o clatrato foi identificado na trinitita vermelha

Análises anteriores da trinitita vermelha já tinham mostrado um conjunto de fases invulgares - e o clatrato apareceu numa dessas investigações.

Com difração de raios X, a equipa examinou uma amostra de trinitita vermelha e identificou uma gota rica em cobre embutida no material.

Uma inspeção mais detalhada revelou uma configuração atómica fora do comum: um clatrato cúbico tipo 1, no qual “gaiolas” de átomos de silício alojam átomos únicos de cálcio, com vestígios de cobre e ferro presentes.

Ele representa o primeiro clatrato já encontrado em produtos de uma explosão nuclear.

A relação (ou não) com o quasicristal

É aqui que a história fica estranha. Como as mesmas condições que favorecem a formação de clatratos também estimulam o aparecimento de quasicristais, e como o clatrato e o quasicristal tinham composições semelhantes, Bindi e os colegas levantaram a hipótese de que as duas estruturas pudessem estar relacionadas.

Para testar essa possibilidade, eles fizeram modelação matemática para avaliar se o quasicristal poderia ter surgido a partir do clatrato. Os resultados indicaram com força que, embora esse caminho seja possível em termos gerais, neste caso específico a concentração de cobre era alta demais.

Isso implica que duas fases cristalinas muito diferentes, originadas dos mesmos materiais e sob as mesmas condições extremas, surgiram de forma independente dentro da mesma amostra.

"Essas descobertas descartam uma interpretação estrutural simples do quasicristal de Trinity baseada em clatratos e enfatizam a natureza distinta das fases ricas em silício geradas sob condições extremas", escrevem os investigadores.

Por que a descoberta importa

Trabalhos deste tipo podem ajudar a compreender melhor os efeitos de testes nucleares e até fornecer novas ferramentas forenses para investigar locais onde explosões desse tipo ocorreram.

Num sentido mais amplo, observam os autores, "este trabalho destaca como eventos raros e de alta energia - como detonações nucleares, descargas de raios e impactos em hipervelocidade - funcionam como laboratórios naturais para produzir matéria cristalina inesperada e para testar criticamente e restringir modelos estruturais além do alcance da síntese convencional".

As conclusões foram publicadas nos Anais da Academia Nacional de Ciências.