Pesquisadores do Laboratório Nacional de Acelerador SLAC, vinculado ao Departamento de Energia dos Estados Unidos, capturaram em detalhes sem precedentes o comportamento de átomos de cobre submetidos a temperaturas extremas. O estudo, publicado na revista Nature Communications, revelou que o cobre derrete de forma gradual mesmo além do limite de superaquecimento, contrariando previsões de simulações anteriores. A descoberta tem implicações diretas para o desenvolvimento de materiais para futuras usinas de fusão nuclear.
O experimento
Para testar a resiliência do cobre, a equipe utilizou o MeV-UED, uma câmera eletrônica de alta potência do SLAC que captura movimentos atômicos e moleculares em escala de femtosegundo — um milionésimo de bilionésimo de segundo. Os pesquisadores dispararam um laser de calor em uma película fina de cobre e, em seguida, enviaram um feixe de elétrons para registrar o aquecimento em tempo real.
As simulações anteriores previam que, ao atingir aproximadamente 1.424 graus Celsius — cerca de 1,25 vezes o ponto de fusão e o limite de superaquecimento do cobre —, a estrutura cristalina restante colapsaria instantaneamente em um líquido totalmente desordenado. No entanto, o que os pesquisadores observaram foi um derretimento gradual, mesmo com a temperatura ultrapassando o limite de superaquecimento.
Por que o cobre não colapsou
A equipe acredita que a razão está nas condições de pressão do experimento. Enquanto as simulações anteriores assumiam condições estáticas com pressão uniforme em todas as direções, as condições reais eram mais dinâmicas, permitindo que os átomos se relaxassem e se movessem, mantendo algum grau de ordem mesmo além do limite de superaquecimento. Ao integrar esses parâmetros adicionais nas simulações, o equipo conseguiu replicar o comportamento experimental.
O experimento também revelou que, em cenários de aquecimento ultra-rápido, o cobre apresenta sinais de um fenômeno chamado pré-fusão, no qual a desordem surge nas superfícies de grãos nanométricos e nos limites entre eles antes de atingir o ponto de fusão padrão.
Aplicação em fusão nuclear
As futuras usinas de fusão nuclear buscam reproduzir no coração da estrela para gerar energia. Embora o plasma de fusão central queime a centenas de milhões de graus, os componentes estruturais devem suportar cargas térmicas súbitas que rivalizam com as temperaturas enfrentadas por naves espaciais durante a reentrada na atmosfera terrestre. O cobre e suas ligas são candidatos principais para lidar com essas flutuações intensas de calor.
De acordo com os pesquisadores, ligas de cobre podem servir como “dissipadores de calor” — materiais que resfriam sistemas de fusão absorvendo calor de materiais mais próximos das reações de fusão. Com uma compreensão mais forte do comportamento do cobre, a equipe planeja estudar a dinâmica mais complexa das ligas de cobre e seu potencial para absorver calor em sistemas de fusão.
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