Por acaso e pela primeira vez, uma equipe de pesquisa internacional liderada por cientistas do Laboratório Nacional de Acelerador Nacional do Departamento de Energia dos EUA formou um hidreto de ouro binário sólido, um composto feito exclusivamente de átomos de ouro e hidrogênio.
Os pesquisadores estudavam quanto tempo leva hidrocarbonetos, compostos feitos de carbono e hidrogênio, para formar diamantes sob pressão e calor extremamente alta. Em seus experimentos no XFEL europeu (laser de elétron livre de raios-X) na Alemanha, a equipe estudou o efeito dessas condições extremas em amostras de hidrocarbonetos com um papel de ouro incorporado, que deveria absorver os raios-X e aquecer os hidrocarbonetos que absorvendo fracos. Para sua surpresa, eles não apenas viram a formação de diamantes, mas também descobriram a formação de hidreto de ouro.
“Foi inesperado porque o ouro é tipicamente quimicamente muito chato e não reativo-é por isso que o usamos como absorvedor de raios-X nesses experimentos”, disse Mungo Frost, cientista da equipe do SLAC que liderou o estudo. “Esses resultados sugerem que há potencialmente muita química a ser descoberta em condições extremas em que os efeitos da temperatura e pressão começam a competir com a química convencional, e você pode formar esses compostos exóticos”.
Os resultados, publicados em Edição Internacional de Angewandte Chemieforneça um vislumbre de como as regras da química mudam em condições extremas como as encontradas em certos planetas ou estrelas que usam hidrogênio.
Estudando hidrogênio denso
Em seu experimento, os pesquisadores primeiro apertaram suas amostras de hidrocarbonetos para pressões maiores do que as do manto da Terra usando uma célula de bigorna de diamante. Em seguida, eles aqueceram as amostras a mais de 3.500 graus Fahrenheit, atingindo-as repetidamente com pulsos de raios-X do Xfel europeu. A equipe gravou e analisou como os raios X se espalharam pelas amostras, o que lhes permitiu resolver as transformações estruturais.
Como esperado, os padrões de dispersão registrados mostraram que os átomos de carbono haviam formado uma estrutura de diamante. Mas a equipe também viu sinais inesperados que foram devido a átomos de hidrogênio reagindo com a folha de ouro para formar hidreto de ouro.
Sob as condições extremas criadas no estudo, os pesquisadores descobriram que o hidrogênio estava em um estado denso “superiônico”, onde os átomos de hidrogênio fluíam livremente através da rígida treliça atômica do ouro, aumentando a condutividade do hidreto de ouro.
O hidrogênio, que é o elemento mais leve da tabela periódica, é complicado de estudar com raios-X porque espalha raios-X apenas fracamente. Aqui, no entanto, o hidrogênio superiônico interagiu com os átomos de ouro muito mais pesados, e a equipe conseguiu observar o impacto do hidrogênio em como a rede de ouro espalhou os raios X. “Podemos usar a treliça de ouro como testemunha do que o hidrogênio está fazendo”, disse Mungo.
O hidreto de ouro oferece uma maneira de estudar hidrogênio atômico denso em condições que também podem se aplicar a outras situações que experimentalmente não são diretamente acessíveis. Por exemplo, o hidrogênio denso compõe os interiores de certos planetas; portanto, estudá -lo no laboratório pode nos ensinar mais sobre esses mundos estrangeiros. Também poderia fornecer novas idéias sobre processos de fusão nuclear dentro de estrelas como nosso sol e ajudar a desenvolver tecnologia para aproveitar a energia de fusão aqui na Terra.
Explorando nova química
Além de abrir o caminho para estudos de hidrogênio denso, a pesquisa também oferece uma avenida para explorar novas químicas. Verificou -se que o ouro, que é comumente considerado um steel não reativo, formando um hidreto estável a pressão e temperatura extremamente alta. De fato, parece estar apenas estável nessas condições extremas, pois quando esfria, o ouro e o hidrogênio se separam. As simulações também mostraram que mais hidrogênio poderia se encaixar na treliça de ouro a uma pressão mais alta.
“Esses resultados sugerem que há potencialmente muita química a ser descoberta em condições extremas em que os efeitos da temperatura e pressão começam a competir com a química convencional, e você pode formar esses compostos exóticos”. Mungo Frost Slac Scientist
A estrutura de simulação também pode ser estendida além do hidreto de ouro. “É importante que possamos produzir e modelar experimentalmente esses estados nessas condições extremas”, disse Siegfried Glenzer, diretor da divisão de alta densidade de energia e professor de ciência dos fótons no SLAC e o principal investigador do estudo. “Essas ferramentas de simulação podem ser aplicadas para modelar outras propriedades de materiais exóticos em condições extremas”.
A equipe também incluiu pesquisadores da Universidade Rostock, DESY, XFEL europeu, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Universidade de Frankfurt e Universidade Bayreuth, todos na Alemanha; Universidade de Edimburgo, Reino Unido; A Carnegie Establishment for Science, Stanford College e Stanford Institute for Supplies and Power Sciences (Simes). Partes deste trabalho foram apoiadas pelo Escritório de Ciências do DOE.
