Resultados de um experimento publicados recentemente oferecem evidências convincentes de que o hidrogênio, em pressões extremamente altas, é um metal. Mas a pesquisa é suficiente para convencer os cientistas de que o hidrogênio metálico existe?
Os teóricos previram há muito tempo que, a pressões muito altas (mais de 4 milhões de vezes a pressão da atmosfera na superfície da Terra), o hidrogênio deveria existir como um metal, um material que conduz eletricidade. Os pesquisadores procuraram esse material, às vezes acabando com resultados duvidosos.
Mas nos últimos anos, equipes nos EUA, França e Alemanha fizeram progressos para restringir e comprimir o hidrogênio e sondar suas propriedades sob alta pressão. Um novo artigo encontrou a evidência mais forte de hidrogênio metálico até o momento.
Cobrimos essa pesquisa quando ela apareceu pela primeira vez no servidor de pré-impressão arXiv physics, em junho de 2019. O trabalho passou pela revisão por pares e foi publicado — mas a busca ainda não acabou.
Para recapitular, o físico Eugene Paul Wigner previu 80 anos atrás que, quando você aumenta a pressão, o hidrogênio se transforma em sólido e, eventualmente, em metal.
Criar essas pressões incríveis para confirmar a teoria é extremamente difícil. A equipe por trás da nova pesquisa, liderada por Paul Loubeyre na Comissão de Energia Atômica da França, comprimiu o hidrogênio entre as pontas dos diamantes usando um dispositivo chamado célula de bigorna de diamante. Depois, os cientistas observaram a amostra usando radiação infravermelha no síncrotron SOLEIL, na França.
A pressões acima de 300 GPa (300 gigapascais, ou 300 bilhões de pascais; a atmosfera da Terra no nível do mar tem uma pressão de apenas 101,325 pascais), o hidrogênio se torna sólido e opaco à luz visível. A 425 GPa e 80 graus acima do zero absoluto (0 Kelvin, a temperatura em que toda a matéria tem a quantidade mínima de calor), o hidrogênio se tornou opaco à luz infravermelha — ele refletia comprimentos de onda infravermelhos. Isso é evidência de que o hidrogênio passou de um estado sólido para um estado metálico.
Loubeyre disse ao Gizmodo nesta semana que eles reverteram o processo, realizando mais medições após afrouxar a pressão entre os diamantes para confirmar que o hidrogênio não havia escapado das pontas.
A chave para seus resultados, Loubeyre disse, é dupla.
Primeiro, eles usaram um tipo relativamente novo de célula de bigorna de diamante, chamada toroidal, com pontas de diamante especialmente formuladas que podem suportar pressões mais altas do que as tradicionais.
Segundo, seu experimento na SOLEIL combinou um microscópio com um espectrômetro de medição de comprimento de onda, permitindo que eles medissem várias propriedades do hidrogênio no diamante simultaneamente.
Nesta semana, a equipe publicou os resultados dessa pesquisa na revista Nature, um sinal de que eles passaram pelos revisores. Os resultados são uma prova quase definitiva da criação de hidrogênio metálico, de acordo com um comentário de Serge Desgreniers, físico da Universidade de Ottawa que não participou do trabalho, publicado na mesma revista.
Mas anunciar uma descoberta não é como acionar um interruptor; em muitos casos, é mais como ir aumentando a luz com um dimmer. Mesmo agora que o artigo passou por uma revisão por pares, os cientistas não afirmam que observaram hidrogênio metálico, como demonstrado pelo título do artigo publicado, que diz apenas que eles viram evidências da “provável transição para o hidrogênio metálico”.
A sensibilidade dos equipamentos usados tem um limite. Isso significa que eles não podiam descartar a existência de uma pequena banda proibida — uma pequena quantidade de energia necessária para transformar o material em um condutor. Se essa banda proibida realmente estiver presente, isso quer dizer que eles ainda não demonstraram a criação de um metal. Eles escrevem que é improvável que ela esteja lá, mas é preciso descartar todas as hipóteses para poder anunciar uma descoberta.
Um pesquisador não envolvido no estudo, Zack Geballe, do Laboratório Geofísico da Carnegie Institution for Science, disse ao Gizmodo que o trabalho é um marco que levará a “uma maior exploração das propriedades metálicas desse hidrogênio e de qualquer outra coisa que exista em pressões maiores”.
Geballe também disse que era hora de medições elétricas, literalmente colocando eletrodos em ambos os lados do material e medindo a corrente através dele. Essas medições são difíceis, pois dependem da colocação de minúsculos eletrodos na ponta de um diamante e do contato com uma pequena quantidade de hidrogênio sólido de alta pressão.
Outro artigo, de uma equipe liderada por Mikhail Eremets, realizou medições de condutividade em sua própria amostra de hidrogênio e descobriu que, entre cerca de 350 GPa e 440 GPa, o elemento continuou sendo um sólido molecular, o que significa que seus átomos ainda estavam ligados, ao invés de ficarem como núcleos em uma rede de elétrons móveis. Uma transição adicional para um metal pode ter ocorrido sob pressões de 480 GPa.
Loubeyre disse ao Gizmodo que esses estudos medem a pressão de maneira ligeiramente diferente e provavelmente são compatíveis — que, com base em seus próprios cálculos, o que a equipe de Eremets mediu em 440 GPa pode realmente ter ocorrido em 390 GPa, e os grupos podem estar observando os mesmos efeitos. Mas a busca continua.
O trabalho de Loubeyre é empolgante e fornece evidências robustas de que o hidrogênio começa a adquirir propriedades semelhantes a metais a altas pressões, como foi previsto tantas décadas atrás. Também demonstra que fazer uma afirmação conclusiva, como “criamos hidrogênio metálico”, é incrivelmente difícil na ciência e requer muitas evidências e verificação entre várias equipes.
“Acho que a comunidade reconhece que as medições são de qualidade excepcional para essa faixa de pressão, e estamos orgulhosos disso”, disse Loubeyre ao Gizmodo. “Mas agora que podemos entrar nessa faixa de pressão, poderemos fazer muito mais medições.” A pesquisa pode manter os cientistas ocupados por mais uma década, à medida que continuam elucidando as propriedades estranhas do hidrogênio sob alta pressão.