O forno de alta pressão e alta temperatura pesa 12.000 libras, exercendo tanta pressão em um canto do laboratório quanto três carros empilhados em seus narizes. Tem a mesma idade de alguns dos pesquisadores que trabalham com ele. Ocasionalmente, ele para de funcionar sem motivo aparente. E isso requer habilidades motoras finas e um excesso de bom humor para mantaª-lo funcionando.

Por que Robert Cava e os químicos em seu laboratório  lutam com esse aparelho “raro e maluco”? Porque ajuda os químicos a descobrirem novos materiais, submetendo-os aos tipos de pressaµes intensas que ocorrem a 320 quila´metros dasuperfÍcie do planeta. Ou 99.000 vezes a pressão que sentimos ao caminhar pelo campus de Princeton. Ou 90 vezes a pressão do fundo da Fossa das Marianas, o ponto mais profundo do oceano.

Essas pressaµes podem alterar os tamanhos relativos dos a¡tomos. Na química do estado sãolido, o tamanho tem muito a ver com a estabilidade de um composto.

Para Kelly Powderly, a estudante de graduação do quarto ano encarregada de administrar e manter “Karma”, o aparelho éuma maravilha, a personificação de uma força extrema - alta pressão - que hámuito a fascina. ( Oua§a Powderly descrever as capacidades do Karma.)

“Ha¡ muito trabalho de alta pressão nas comunidades de geofa­sica e geologia porque eles estãousando para entender o que estãoacontecendo sob asuperfÍcie da terra, conforme as temperaturas e a pressão aumentam”, disse Powderly, que trabalha com  Cava , o Russell Wellman Moore Professor de Quí­mica . “Mas ter uma impressora multi-bigorna em seu pra³prio laboratório, a cerca de 40 passos de sua mesa, não éuma coisa comum em um departamento de química.

“A maior parte da química de estado sãolido ocorre em um laboratório a  pressão atmosfanãrica, e vocêvaria a temperatura para obter materiais diferentes”, acrescentou ela. “Mas, neste caso, podemos realmente usar a pressão como outra varia¡vel para estabilizar novas estruturas que podem ser realmente interessantes ou para obter uma reação entre os elementos que vocênão obteria de outra forma.”

Cava e sua equipe de pesquisa fazem e caracterizam materiais com potencial para propriedades físicas e eletra´nicas exa³ticas, como supercondutividade ou magnetismo, usando as varia¡veis ​​de alta pressão e alta temperatura para descobri-los. Com o Karma, o Powderly pode pressurizar materiais de até10 gigapascais (GPa). A pressão atmosfanãrica nasuperfÍcie do planeta equivale a cerca de 101.000 pascais; Karma pode pressurizar materiais cerca de 99.000 vezes essa quantidade.

Os experimentos resultaram em três artigos de peria³dicos diferentes, todos publicados em 2019: um em janeiro ,  um em maio e  o terceiro em dezembro .

“Karma foi uma das principais coisas que comprei quando vim para Princeton, no final da década de 1990”, disse Cava. “Alguns novos supercondutores de a³xido de cobre foram fabricados sob pressão naquela anãpoca no Japa£o, e eu queria tentar a sorte nisso. Fazer a ma¡quina funcionar resultou em algumas interações desafiadoras com a ma¡quina e seu fabricante ao longo dos anos, mas tem valido a pena. Karma étão legal que existe atémesmo um igual o nosso no Smithsonian. a‰ uma forma incomum de fazer química, e sempre há oportunidade de encontrar algo espetacular usando-a.

“Chegar para trabalhar em um sa¡bado e encontrar Kelly no laboratório consertando a bomba hidra¡ulica geradora de pressão do Karma foi um dos pontos altos da minha carreira acadaªmica”, disse Cava. “Ela se preocupa muito em fazer esse tipo de pesquisa, que, na minha opinia£o, éo objetivo de uma pós-graduação.”

Karma opera aplicando força com maºltiplas bigornas de carboneto de tungstaªnio com metade do tamanho de seu punho ao longo de todos os lados de uma pequena ca¢mara contendo uma amostra de material. A ca¢mara éum minaºsculo cubo de cera¢mica para a configuração de “baixa pressão”, atéseis GPa, ou um octaedro ainda menor para a configuração de “alta pressão”, até10 GPa.

O carma também pode gerar temperaturas de até1.200 graus Celsius (2.200 graus Fahrenheit) - três vezes mais quente do que asuperfÍcie de Vaªnus. Juntas, essas varia¡veis ​​mudam a paisagem termodina¢mica de materiais e compostos, influenciando sua estabilidade e revelando novas fases com propriedades interessantes que não existem sob a pressão ambiente.

A alta pressão tende a favorecer materiais mais densos e, portanto, pode estabilizar fases mais densas. Para alguns elementos e compostos, a alta pressão pode aumentar o ponto de fusão e o ponto de ebulição, permitindo reações entre os materiais de partida que, a  pressão ambiente, derreteriam ou vaporizariam antes que houvesse energia suficiente para reagir.

“Com essas condições extremas, hámomentos em que seu cubo de amostra ou alguns de seus componentes se quebram e, portanto, seu experimento simplesmente não funciona”, disse Powderly. “Mesmo se vocêfizer tudo certo, a s vezes seu termopar ainda vai quebrar ou o cubo ainda vai rachar. Nunca é100% garantido. Mas acho que a sa­ntese de alta pressão étão emocionante. Esse éo tipo de nega³cio em que estamos. ”