O ferro é um dos principais elementos encontrados no núcleo interno da Terra, que é caracterizado por temperaturas e pressões extremamente altas. Determinar como o ferro se comporta nessas condições extremas pode, portanto, ajudar a avançar a compreensão atual da estrutura e geodinâmica do nosso planeta natal.

Pesquisadores da Instalação Europeia de Radiação Síncrotron em Grenoble, do Instituto Politécnico de Paris e de outros institutos ao redor do mundo realizaram um estudo examinando a temperatura de fusão e a estabilidade de fase do ferro comprimido por choque em altas temperaturas e pressões usando espectroscopia de absorção de raios X ultrarrápida.

Suas descobertas, publicadas na Physical Review Letters , lançam nova luz sobre a curva de fusão e a fase estrutural do ferro sob condições extremas.

"O objetivo deste estudo foi explorar o comportamento microscópico do ferro sob condições extremas de pressão e temperatura, até as faixas de vários Mbar e milhares de Kelvin, usando espectroscopia de absorção de raios X síncrotron ultrarrápida", disse Sofia Balugani, primeira autora do artigo, ao Phys.org.

"Esta pesquisa é crucial para entender as propriedades do núcleo da Terra, que é composto principalmente de ferro com pequenas quantidades de elementos mais leves."

Como o ferro é o principal componente do núcleo da Terra, suas propriedades (por exemplo, sua temperatura de fusão nas pressões encontradas nas proximidades do limite interno do núcleo da Terra) definem um limite superior para a temperatura de fusão nesse limite específico, que separa o núcleo interno do externo.

Determinar a temperatura de fusão nessa pressão pode, por sua vez, auxiliar no estudo da geodinâmica, oferecendo insights sobre o processo pelo qual o núcleo externo, que é líquido, cristaliza para formar o núcleo interno sólido.

"Há também um debate significativo sobre a fase estrutural do ferro sob essas condições extremas", disse Balugani.

"Nós nos propusemos a reunir dados estruturais e eletrônicos do ferro nessas condições. A equipe ainda está trabalhando na interpretação das informações da estrutura eletrônica do ferro nessas condições extremas, pois essa área de pesquisa é inteiramente nova."

Balugani e seus colegas realizaram seu experimento na European Synchrotron Radiation Facility na França, especificamente dentro de sua nova High-Power Laser Facility. Este local de pesquisa hospeda várias tecnologias avançadas, combinando lasers de alta potência com uma energia acima de 40J com uma linha de luz ID24-ED de dispersão de energia, otimizada para espectroscopia de absorção de raios X ultrarrápida (?100 ps).

"O laser de alta potência é focado em um alvo multicamadas, ablacionando a primeira camada (normalmente um polímero) para criar um plasma quente", explicou Balugani.

"Este plasma se expande e gera uma onda de choque, propagando-se em velocidades supersônicas através da amostra de ferro. A onda de choque induz condições extremas de pressão e temperatura no ferro. Simultaneamente, os raios X são sincronizados para capturar o espectro XAS do ferro no momento em que a onda de choque sai da amostra, correspondendo ao pico de pressão e temperatura no ferro."

As medições de espectroscopia de absorção de raios X ultrarrápidas (?100 ps) coletadas pelos pesquisadores produziram informações detalhadas sobre a fase estrutural do ferro em pressões e temperaturas extremamente altas.

Além de medir a temperatura do ferro perto de sua curva de fusão em 240 GPa, os pesquisadores conseguiram determinar as mudanças estruturais pelas quais esse elemento passa em condições que refletem aquelas encontradas no núcleo da Terra.

"A temperatura é um parâmetro particularmente difícil de medir em experimentos de choque e compressão estática", disse Balugani.

"Na compressão de choque, a autoemissão térmica da amostra aquecida é tipicamente capturada e ajustada ao modelo de corpo negro de Planck para estimar a temperatura. No entanto, esse método tem limitações, particularmente para amostras opacas como metais, onde apenas a temperatura da superfície pode ser medida."

Notavelmente, as medições de compressão de choque coletadas usando abordagens convencionais também são confiáveis apenas acima de 3.000 K. Em contraste, os métodos usados pelos pesquisadores permitiram que eles medissem o diagrama de fases do ferro em condições que imitam aquelas nas profundezas da Terra, o que eles puderam então usar para extrapolar sua temperatura de fusão no limite do núcleo interno, onde a pressão é conhecida como 330 GPa.

"Acredito que este trabalho abriu caminho para um novo método para determinar temperaturas de fusão confiáveis de metais usando XAS, que pode ser aplicado para restringir experimentalmente as curvas de fusão de vários metais", disse Balugani.

"Além disso, determinamos que a fase do ferro puro a 240 GPa e 5.345 K, pouco antes da fusão, é hexagonal compactada (hcp), em vez da estrutura cúbica de corpo centrado (bcc) prevista por muitos estudos teóricos."

Este estudo de Balugani e seus colegas pode ter implicações importantes para o estudo futuro da geodinâmica da Terra. As medições coletadas pelos pesquisadores podem, em última análise, avançar a compreensão da estrutura interna do nosso planeta e sua história térmica.

"Dados sismológicos observaram amolecimento por cisalhamento sob as condições do núcleo da Terra, o que foi atribuído à fase bcc (cúbica centrada no corpo) do ferro puro por alguns estudos teóricos ", disse Balugani. "Em nosso estudo, descartamos a fase bcc do ferro a 240 GPa e 5.345 K, perto da curva de fusão."

As descobertas dos pesquisadores estabeleceram novas restrições à curva de fusão do ferro sob condições extremas, refutando algumas previsões teóricas anteriores.

No entanto, suas medições não excluem a possibilidade de que uma fase diferente da fase bcc possa se tornar mais favorável quando o ferro é ligado a elementos mais leves, tanto no núcleo da Terra quanto em outras regiões de pressão-temperatura do diagrama de fases do ferro.

"Seria fascinante agora explorar ligas de ferro sob essas condições extremas e conduzir experimentos semelhantes", acrescentou Balugani.

"Já há um progresso significativo sendo feito nessa área e, esperançosamente, em breve obteremos uma melhor compreensão do núcleo da Terra. Com avanços tecnológicos em instalações de laser de alta potência, também será possível explorar regiões ainda mais extremas do diagrama de fase do ferro e das ligas de ferro."

Ao examinar ferro e ligas de ferro em temperaturas e pressões ainda mais extremas, os pesquisadores puderam entender melhor a estrutura de exoplanetas telúricos (por exemplo, super-Terras).

Além disso, seus trabalhos futuros podem contribuir para a pesquisa sobre fusão nuclear, na qual o ferro desempenha um papel fundamental, pois é o principal componente do aço inoxidável usado para conduzir estudos de fusão por confinamento inercial.