Meteorito caiu na Alemanha em 1724: acabamos de descobrir que ele continha um material 'impossível' para a física

Em julho do ano passado, uma pesquisa acadêmica abalou o campo da física de materiais com um protagonista inesperado: uma rocha espacial coletada na Alemanha há três séculos. Em seu interior, havia um mineral cujo comportamento térmico não se encaixa em nenhuma classificação conhecida. O mais desconcertante não é o material em si (embora isso também seja surpreendente), mas o fato de ele ter permanecido em uma vitrine, acumulando poeira, desde 1724: ninguém o havia examinado com os instrumentos apropriados até então.

Meteorito de 1724

Apelidado de "Meteorito Steinbach" em homenagem à região alemã da Saxônia onde caiu, seus fragmentos rapidamente passaram a fazer parte de coleções de museus devido à sua origem exótica e beleza, sem atrair muita atenção da comunidade científica. Entre essas coleções está o Museu Nacional de História Natural de Paris, que abriga o fragmento usado nesta pesquisa.

Este fragmento contém tridimita meteórica, uma forma extraordinariamente rara de dióxido de silício na Terra. Trata-se de um polimorfo do quartzo que se forma apenas sob condições extremas de temperatura e pressão — condições não encontradas na geologia terrestre comum, mas presentes em impactos de meteoritos ou ambientes vulcânicos.

Por que é importante?

A tridimita no meteorito Steinbach mantém uma condutividade térmica praticamente constante entre -193 °C e 107 °C (80 e 380 Kelvin), além de simplesmente conduzir calor igualmente bem tanto no inverno rigoroso da Islândia quanto durante uma onda de calor no deserto. Este material possui uma característica única: nenhum outro material conhecido se comporta dessa maneira.

Essa estabilidade térmica é uma raridade na tecnologia de materiais e confere-lhe clara aplicabilidade no gerenciamento térmico: permite o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos que não superaquecem e sistemas de isolamento aeroespacial com uma eficiência inimaginável sob as leis da física clássica.

Contexto

Em 2009, o físico Michele Simoncelli, juntamente com Nicola Marzari e Francesco Mauri, desenvolveu uma equação unificada baseada no formalismo de transporte de Wigner, capaz de descrever simultaneamente o comportamento térmico de cristais, vidros e qualquer estado intermediário. Essa equação previu teoricamente a existência de materiais com condutividade térmica invariante à temperatura, como este. O problema é que ninguém havia encontrado esse material no mundo real.

No universo, a maioria dos minerais se forma sob pressões e temperaturas semelhantes às da Terra, que forçam os átomos a se organizarem em estruturas cristalinas padrão. Mas no cinturão de asteroides, os remanescentes de protoplanetas diferenciados passam por processos de resfriamento e colisões catastróficas que geram fases minerais que não existem naturalmente na crosta terrestre. A tridimita é comum em rochas vulcânicas, mas essa forma meteórica tem a vantagem de ter passado milhões de anos se estabilizando termicamente no espaço.

Algo não está certo

Até agora, a ciência assumia que um material sólido tinha que ser um cristal (estrutura ordenada) ou um vidro (estrutura ordenada), e suas propriedades térmicas dependiam dessa estrutura: a condutividade térmica de um cristal diminui com o aumento da temperatura porque as vibrações da rede cristalina (fônons) se dispersam com mais intensidade. No vidro, ocorre o oposto, porque sua desordem interna facilita formas adicionais de transmissão de calor quando aquecido. Essas são tendências opostas, robustas e bem documentadas experimentalmente há décadas.

O meteorito Steinbach quebra as regras e se comporta como ambos ao mesmo tempo. A tridimita do meteorito Steinbach possui uma estrutura atômica que exibe ordem nas ligações químicas, como um cristal, e desordem geométrica no arranjo dessas ligações, como o vidro. Essa combinação gera um equilíbrio preciso entre os dois mecanismos de transporte: propagação (característica dos cristais) e tunelamento (característica do vidro). É o que a equipe de pesquisa chama de condutividade PTI, invariante à propagação e ao tunelamento.

Como descobriram isso

A descoberta foi possível graças à termorreflecmetria, que mede as variações na refletividade óptica de uma superfície quando esta é excitada termicamente por um laser pulsado, permitindo aos pesquisadores inferir a condutividade térmica com alta resolução. O que eles observaram foi que os átomos de silício não estavam em fileiras perfeitas, mas também não estavam dispostos aleatoriamente: seguiam uma sequência de "ordem intermediária" que antes só existia em modelos matemáticos, confirmando ponto a ponto as previsões da equação de Wigner.

Sim, mas

A tridimita meteórica é disruptiva na tecnologia de materiais; o problema reside em sua reprodutibilidade e escassez. Até agora, encontramos esse material apenas no meteorito Steinbach, uma amostra limitada de um evento astronômico ocorrido há três séculos. Obtê-la de meteoritos é simplesmente inviável, e o desafio de fabricar sinteticamente esse cristal vítreo é considerável. Curiosamente, o artigo explica que a tridimita também foi detectada na Cratera Gale, em Marte, levantando questões sobre como ela influenciou a história geológica do Planeta Vermelho e abrindo a possibilidade de uma eventual mineração espacial.

Por outro lado, embora seja verdade que o material desafia as leis da física, é importante enfatizar que estamos falando da física atual: não que as leis fossem falsas, mas simplesmente incompletas.

Imagem | Fred Kruijen e Batu Gezer