Por uma feliz coincidência e pela primeira vez, uma equipe internacional de pesquisa liderada por cientistas do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia dos EUA formou hidreto de ouro binário sólido, um composto feito exclusivamente de átomos de ouro e hidrogênio.

Os pesquisadores estavam estudando quanto tempo leva para que hidrocarbonetos, compostos feitos de carbono e hidrogênio, formem diamantes sob pressão e calor extremamente altos.

Em seus experimentos no laboratório europeu XFEL (X-ray Free-Electron Laser), na Alemanha, a equipe estudou o efeito dessas condições extremas em amostras de hidrocarbonetos com uma folha de ouro incorporada, que deveria absorver os raios X e aquecer os hidrocarbonetos com baixa absorção. Para sua surpresa, eles não apenas observaram a formação de diamantes, mas também descobriram a formação de hidreto de ouro .

"Foi inesperado porque o ouro é normalmente quimicamente muito chato e pouco reativo. É por isso que o usamos como um absorvedor de raios X nesses experimentos", disse Mungo Frost, cientista da equipe do SLAC que liderou o estudo.

Os resultados, publicados na Angewandte Chemie International Edition , fornecem um vislumbre de como as regras da química mudam sob condições extremas, como aquelas encontradas dentro de certos planetas ou estrelas que fundem hidrogênio.

Em seu experimento, os pesquisadores primeiro comprimiram suas amostras de hidrocarbonetos a pressões maiores do que as do manto terrestre usando uma célula de bigorna de diamante. Em seguida, aqueceram as amostras a mais de 1.800 graus Celsius, atingindo-as repetidamente com pulsos de raios X do XFEL europeu.

A equipe registrou e analisou como os raios X se espalharam pelas amostras, o que lhes permitiu resolver as transformações estruturais internas.

Como esperado, os padrões de espalhamento registrados mostraram que os átomos de carbono formaram uma estrutura de diamante. Mas a equipe também observou sinais inesperados devido à reação dos átomos de hidrogênio com a folha de ouro, formando 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 estrutura atômica rígida do ouro, aumentando a condutividade do hidreto de ouro.

O hidrogênio, o elemento mais leve da tabela periódica, é difícil de estudar com raios X porque os espalha fracamente. Aqui, no entanto, o hidrogênio superiônico interagiu com átomos de ouro muito mais pesados, e a equipe conseguiu observar o impacto do hidrogênio na dispersão dos raios X pela rede de ouro.

"Podemos usar a estrutura de ouro como testemunha do que o hidrogênio está fazendo", disse Mungo.

O hidreto de ouro oferece uma maneira de estudar o hidrogênio atômico denso sob condições que também podem se aplicar a outras situações que não são diretamente acessíveis experimentalmente. Por exemplo, o hidrogênio denso compõe o interior de certos planetas, portanto, estudá-lo em laboratório poderia nos ensinar mais sobre esses mundos estranhos.

Também poderia fornecer novos insights sobre processos de fusão nuclear dentro de estrelas como o nosso Sol e ajudar a desenvolver tecnologia para aproveitar a energia de fusão aqui na Terra.

Além de abrir caminho para estudos de hidrogênio denso, a pesquisa também oferece uma oportunidade para explorar novas químicas. Descobriu-se que o ouro, comumente considerado um metal não reativo, forma um hidreto estável em pressão e temperatura extremamente altas.

Na verdade, ele parece ser estável apenas nessas condições extremas, pois, ao esfriar, o ouro e o hidrogênio se separam. As simulações também mostraram que mais hidrogênio caberia na rede de ouro sob pressão mais alta.

A estrutura de simulação também pode ser estendida além do hidreto de ouro .

"É importante que possamos produzir e modelar experimentalmente esses estados sob essas condições extremas", disse Siegfried Glenzer, diretor da Divisão de Alta Densidade de Energia e professor de ciência de fótons no SLAC e principal pesquisador do estudo.

"Essas ferramentas de simulação podem ser aplicadas para modelar outras propriedades de materiais exóticos em condições extremas."