Descoberto um estado de matéria misterioso a fluir no interior do núcleo da Terra.

Ao dispararem minúsculos projéteis de liga de ferro-carbono a partir de um canhão de alta velocidade, cientistas conseguiram finalmente demonstrar, em laboratório, que é mesmo possível um estranho estado meio sólido, meio líquido que se suspeitava existir no núcleo interno da Terra.

Esse estado superiónico de matéria encaixa de forma convincente em algumas particularidades do núcleo: por exemplo, ajuda a explicar porque é que certas ondas ali abrandam e porque é que medições sugerem que o material se comporta mais como manteiga maleável do que como aço frio e rígido.

“Pela primeira vez, demonstrámos experimentalmente que a liga de ferro-carbono, em condições do núcleo interno, apresenta uma velocidade de cisalhamento extraordinariamente baixa”, afirma o físico Youjun Zhang, da Universidade de Sichuan, na China.

“Neste estado, os átomos de carbono tornam-se altamente móveis, difundindo-se através da estrutura cristalina de ferro como crianças a serpentear numa dança em quadrado, enquanto o próprio ferro permanece sólido e ordenado. Esta chamada ‘fase superiónica’ reduz drasticamente a rigidez [da] liga.”

O que nos dizem as ondas sísmicas sobre o núcleo interno da Terra e a fase superiónica

Desde a década de 1930, a visão dominante do interior da Terra tem seguido um modelo com um núcleo externo líquido e fundido e um núcleo interno tão comprimido pela pressão que se mantém sólido, apesar do calor extremo que ali impera. Ainda assim, ao longo de décadas, vários indícios em dados sísmicos sugeriram que esta descrição não capta toda a realidade.

Grande parte do que sabemos sobre a estrutura interna do planeta vem de observações sísmicas. A forma como as ondas acústicas atravessam e se reflectem em materiais com propriedades diferentes permitiu traçar uma arquitectura interna bastante detalhada. Porém, em particular, a baixa velocidade das ondas de cisalhamento no núcleo indica que, se aquilo for sólido, não é sólido da maneira “habitual” a que estamos acostumados.

Em 2022, uma equipa liderada pelo geofísico Yu He, da Academia Chinesa de Ciências, mostrou teoricamente que a superionicidade poderia resolver este enigma. A ideia é que a pressão colossal exercida pelo peso do planeta mantém o ferro numa matriz sólida, mas a temperatura extrema permite que átomos mais leves se movam e circulem como num fluido - um estado superiónico que combina características de sólido e de líquido.

A confirmação experimental com compressão dinâmica por choque

Agora, evidência experimental veio dar suporte a essa hipótese. Zhang, He e colegas recorreram a uma técnica chamada compressão dinâmica por choque para esmagar uma pequena amostra de liga de ferro-carbono até que ela passasse a comportar-se tal como se espera que essa mesma liga se comporte no núcleo interno da Terra.

Para acelerar as amostras, utilizaram canhões de gás leve de dois estágios - dispositivos de alta precisão que combinam pólvora sem fumo e gás comprimido para lançar partículas minúsculas a velocidades extremas.

Neste ensaio, o projéctil de ferro-carbono foi disparado a velocidades superiores a 7 quilómetros por segundo contra um alvo de fluoreto de lítio altamente compressível. O impacto gera um choque inverso que comprime a amostra até pressões de 140 gigapascais e temperaturas próximas de 2,600 Kelvin (2,327 °C, ou 4,220 °F).

Isto ainda não atinge os extremos do núcleo interno - onde a pressão se situa entre 330 e 360 gigapascais e as temperaturas podem chegar a 5,000 a 6,000 Kelvin -, mas é suficiente para reproduzir aspectos essenciais desse ambiente.

Estas condições simuladas duram apenas de nanossegundos a microssegundos. Mesmo assim, esse intervalo basta para investigar temperatura, densidade e a propagação de ondas acústicas, recorrendo a lasers e sensores de alta velocidade.

Resultados: baixa velocidade de ondas de cisalhamento e rácio de Poisson

E, de facto, os resultados reproduziram o que os sismólogos inferem para o núcleo interno: a baixa velocidade das ondas de cisalhamento e a “moleza” medida como rácio de Poisson, que reflecte a forma como o material expande e contrai, tal como observado nas leituras sísmicas.

Nessas condições, mostraram os investigadores, a matriz de ferro mantém-se firmemente “presa” no lugar, como o Batman, enquanto o carbono circula pelos interstícios como um Robin irrequieto.

A explicação é notavelmente elegante: esclarece porque é que os dados sísmicos apresentam aquele padrão e, com dados experimentais - o mais próximo que conseguiremos chegar do próprio núcleo interno -, ajuda a resolver debates antigos sobre o comportamento de elementos leves sob pressões extremas.

Este avanço poderá também abrir novas pistas sobre o campo magnético da Terra, uma estrutura vasta que se estende pelo espaço e que nasce da dança entre condução e convecção nas profundezas do planeta.

“Estamos a afastar-nos de um modelo estático e rígido do núcleo interno para um modelo dinâmico”, diz Zhang. “Compreender este estado oculto da matéria aproxima-nos mais um passo de desvendar os segredos dos interiores de planetas semelhantes à Terra.”

A investigação foi publicada na National Science Review.