Cientistas quebram limites de temperatura com ouro sobreaquecido, abrindo novos horizontes na ciência

Um método inovador para medir a temperatura dos átomos em materiais extremamente quentes está já a mudar a nossa compreensão do mundo, derrubando antigas crenças sobre o sobreaquecimento.

ouro derretido; IA
Pela primeira vez, uma equipa de investigadores relata que mediu diretamente a temperatura dos átomos em matéria densa e quente. (Imagem criada por IA)

É difícil medir a temperatura de coisas realmente muito quentes. Seja o plasma em turbulência no nosso Sol, as condições extremas no núcleo dos planetas ou as forças de compressão em ação dentro de um reator de fusão, aquilo a que os cientistas chamam "matéria densa quente" pode atingir centenas de milhares de graus Kelvin.

Saber precisamente o quão quentes são estes materiais é crucial para que os investigadores compreendam completamente estes sistemas complexos, mas fazer estas medições tem sido, até agora, praticamente impossível.

"Temos boas técnicas para medir a densidade e a pressão destes sistemas, mas não a temperatura. Nestes estudos, as temperaturas são sempre estimadas com enormes barras de erro, o que sustenta os nossos modelos teóricos. Este tem sido um problema de décadas."

Bob Nagler, cientista da equipa do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia.

Agora, pela primeira vez, uma equipa de investigadores relata que mediu diretamente a temperatura dos átomos em matéria densa e quente. Enquanto outros métodos se baseiam em modelos complexos e difíceis de validar, este novo método mede diretamente a velocidade dos átomos e, portanto, a temperatura do sistema.

O seu método inovador já está a mudar a nossa compreensão do mundo: numa estreia experimental, a equipa sobreaqueceu ouro sólido muito para além do limite teórico, derrubando inesperadamente quatro décadas de teorias estabelecidas.

Medir a temperatura a um novo nível

Durante quase uma década, esta equipa trabalhou para desenvolver um método que contorna os desafios habituais da medição de temperaturas extremas – especificamente, a curta duração das condições que criam estas temperaturas em laboratório e a dificuldade de calibrar a forma como estes sistemas complexos afetam outros materiais.

ouro derretido
Esta equipa de cientistas sobreaqueceu ouro sólido muito para além do limite teórico.

No instrumento MEC do SLAC, a equipa utilizou um laser para sobreaquecer uma amostra de ouro. À medida que o calor passava pela amostra nanométrica, os seus átomos começaram a vibrar a uma velocidade diretamente relacionada com o aumento da sua temperatura. A equipa enviou então um pulso de raios X ultrabrilhantes da Fonte de Luz Coerente Linac (LCLS) através da amostra sobreaquecida. À medida que se espalhavam pelos átomos vibrantes, a frequência dos raios X alterava-se ligeiramente, revelando a velocidade dos átomos e, consequentemente, a sua temperatura.

“A nova técnica de medição de temperatura desenvolvida neste estudo demonstra que o LCLS está na vanguarda da investigação sobre matéria aquecida a laser. O LCLS, aliado a estas técnicas inovadoras, desempenha um papel importante no avanço da ciência de alta densidade energética e em aplicações transformadoras como a fusão inercial.”

Siegfried Glenzer, diretor da divisão de Ciência de Alta Densidade de Energia do SLAC e coautor do artigo.

A equipa ficou entusiasmada com a demonstração bem-sucedida desta técnica – e, ao analisar os dados com mais profundidade, descobriu algo ainda mais entusiasmante. “Ficámos surpreendidos ao encontrar uma temperatura muito mais elevada nestes sólidos sobreaquecidos do que esperávamos inicialmente, o que refuta uma teoria de longa data da década de 1980”, disse White. “Este não era o nosso objetivo original, mas é disso que se trata a ciência – descobrir coisas novas que não se sabia que existiam.”

O ouro aqueceu a mais de 14 vezes o seu ponto de fusão

Cada material tem pontos de fusão e ebulição específicos, marcando a transição do sólido para o líquido e do líquido para o gasoso, respetivamente. No entanto, há exceções. Por exemplo, quando a água é aquecida rapidamente em recipientes muito lisos – como um copo de água no microondas – pode ficar "sobreaquecida", atingindo temperaturas acima dos 100ºC sem realmente ferver. Isto porque não existem superfícies rugosas ou impurezas que desencadeiem a formação de bolhas.

ouro derretido por laser; IA
Para esta experiência, os cientistas utilizaram um laser. (Imagem criada por IA)

Mas este truque da natureza traz um risco maior: quanto mais um sistema se afasta dos seus pontos normais de fusão e ebulição, mais vulnerável se torna ao que os cientistas chamam de catástrofe – um início repentino de fusão ou ebulição desencadeado por uma ligeira mudança ambiental. Por exemplo, a água sobreaquecida no microondas ferverá explosivamente quando perturbada, podendo causar queimaduras graves.

Neste estudo, a equipa descobriu que o ouro tinha sido sobreaquecido a uns impressionantes 19.000 kelvinsmais de 14 vezes o seu ponto de fusão e muito para além do limite proposto para a catástrofe de entropia – tudo isto mantendo a sua estrutura cristalina sólida.

Referência da notícia

Thomas G. White, Travis D. Griffin, Daniel Haden, Hae Ja Lee, Eric Galtier, Eric Cunningham, Dimitri Khaghani, Adrien Descamps, Lennart Wollenweber, Ben Armentrout, Carson Convery, Karen Appel, Luke B. Fletcher, Sebastian Goede, J. B. Hastings, Jeremy Iratcabal, Emma E. McBride, Jacob Molina, Giulio Monaco, Landon Morrison, Hunter Stramel, Sameen Yunus, Ulf Zastrau, Siegfried H. Glenzer, Gianluca Gregori, Dirk O. Gericke & Bob Nagler. Superheating gold beyond the predicted entropy catastrophe threshold. Nature (2025).