Óxido de grafeno na Falha Atotsugawa explica o creep silencioso

Cientistas acreditavam ter encontrado a razão de uma das falhas mais ativas do Japão quase nunca produzir terremotos.

O grafite - o mesmo mineral conhecido por compor a “mina” do lápis - reveste o interior dessa falha e mantém a fricção em níveis baixos. À primeira vista, isso parecia uma explicação direta e suficiente.

Só que, ao examinar o problema com mais rigor, os pesquisadores chegaram a uma conclusão que mudou completamente o entendimento.

No meio da rocha esmagada que preenche a zona de falha havia algo que nunca tinha sido identificado antes em uma falha natural.

Era um material tão escorregadio que faz o grafite parecer áspero em comparação.

Uma falha ativa, mas discreta

O Sistema de Falhas Atotsugawa corta as montanhas do centro do Japão. Em 1858, ele gerou um terremoto de magnitude 7.0 - um tipo de evento que normalmente caracterizaria uma falha marcadamente violenta.

Apesar desse histórico, desde então uma parte considerável do sistema se manteve surpreendentemente tranquila. Registros sísmicos indicam quase nenhuma atividade de terremotos ao longo do trecho central, até cerca de 8 km de profundidade (5 milhas).

Para entender o que estaria impedindo o tremor esperado, uma equipa liderada por Tomoya Shimada, da Universidade de Tohoku, investigou por que essa porção não rompe como o habitual.

Em vez de fraturar de modo brusco, a falha avança aos poucos, com deslizamento gradual.

Esse movimento lento e contínuo é conhecido entre geólogos como “creep de falha”. O motivo de algumas falhas apresentarem creep permanece, há anos, uma questão em aberto.

Olhando fundo dentro da falha

O grupo reuniu amostras de seis pontos ao longo da Atotsugawa e de uma falha associada, chamada Mozumi–Sukenobe.

Eles recolheram a pasta de rocha triturada que reveste a zona de falha - um material fino produzido pelo esmagamento das rochas, frequentemente descrito como “argila de falha”.

A partir desse material, foram aplicados três testes avançados: uma análise de “impressão digital” química com dois tipos de espectroscopia, além de uma modalidade de microscopia eletrônica com resolução suficiente para visualizar átomos individuais.

O resultado não se parecia com nada que já tivesse sido identificado anteriormente em uma falha ativa.

Um material inesperado apareceu

Dentro de microfissuras que atravessavam a argila de falha, os investigadores encontraram lâminas de óxido de grafeno em camada única - um material de carbono com espessura equivalente a um átomo.

Em geral, a ciência produz esse material em laboratório para baterias avançadas e revestimentos de baixo atrito.

Até este estudo, não havia qualquer relato de formação natural de óxido de grafeno dentro de uma falha ativa. As lâminas eram minúsculas, com apenas 3 a 10 nanômetros de extensão.

Elas surgiam justamente nas regiões onde o deslizamento ocorre de facto: ao longo de microtrincas que cortam as partículas trituradas e nas bordas dessas partículas.

Cada lâmina tinha aproximadamente a espessura de um átomo de carbono - e é aqui que a descoberta deixa de ser apenas curiosa e passa a ter potencial para alterar o comportamento mecânico da falha.

Deslizamento silencioso em avanço

O óxido de grafeno é extremamente escorregadio. Em experimentos de laboratório, rochas típicas exibem coeficientes de fricção por volta de 0.6 a 0.85, o que indica um forte “agarre” entre superfícies.

Já o óxido de grafeno fica em torno de 0.01. Até mesmo o grafite puro - o carbono macio presente nos lápis - costuma ficar perto de 0.1, isto é, dez vezes mais fricção do que o novo material.

A explicação passa sobretudo pela química. Ao longo das superfícies planas, essas lâminas carregam grupos hidroxila - cada um formado por uma ligação oxigênio-hidrogênio.

Esses grupos se prendem a moléculas de água retidas na rocha, e essa água “ligada” funciona como um lubrificante em escala microscópica.

Com isso, as lâminas de carbono podem deslizar com facilidade entre grãos minerais mais rígidos. O escorregamento acontece no filme de carbono, e não diretamente no contato entre rochas.

Onde a estabilidade se mantém

O óxido de grafeno não suporta temperaturas muito altas. Ao ultrapassar cerca de 390 °F (198 °C), as ligações oxigênio-hidrogênio se rompem.

A estrutura se desagrega e, com ela, desaparece a propriedade de lubrificação. Isso impõe um limite de profundidade.

À medida que se desce na crosta, a temperatura aumenta. No Sistema Atotsugawa, esse aquecimento restringe a sobrevivência do óxido de grafeno a aproximadamente 6 a 8 km de profundidade (4 a 5 milhas).

A secção “silenciosa” da falha vai quase exatamente até essa mesma profundidade, terminando no ponto em que terremotos comuns voltam a aparecer.

O encaixe é quase perfeito - um indício forte de que a faixa de estabilidade do material coincide com a faixa em que a falha permanece quieta.

Uma camada escorregadia que se renova

Esse cenário sugere um ciclo de retroalimentação. Os pesquisadores consideram que a fricção pode acionar reações químicas durante o movimento da falha, transformando carbono já existente nessas lâminas extremamente escorregadias.

“Achamos que, quando as falhas se movem, elas desencadeiam reações químicas que criam óxido de grafeno. Em outras palavras, quanto mais uma falha desliza, mais ela gera o seu próprio ‘nano-lubrificante’”, disse o professor Hiroyuki Nagahama, da Universidade de Tohoku.

Essa capacidade de autorrenovação lembra estudos sobre revestimentos de carbono projetados, nos quais o simples atrito pode levar o carbono a um estado de menor fricção.

O futuro do grafite

Antes desta pesquisa, a explicação dominante para o creep no sistema Atotsugawa se apoiava principalmente no grafite.

De facto, o grafite contribui para lubrificar falhas. No entanto, seu índice de fricção é dez vezes maior do que o do óxido de grafeno, e isso nunca explicava totalmente o silêncio observado.

Encontrar, dentro de uma falha ativa, um material normalmente associado a revestimentos de alta tecnologia muda a narrativa.

A química do carbono pode ter um papel bem maior no deslizamento silencioso do que os sismólogos vinham assumindo.

Se o mesmo padrão for identificado em outras falhas com baixa sismicidade, os pesquisadores poderão começar a prever quais trechos deslizam sem tremores e quais acumulam deformação até romper em terremotos.

Mapas de risco ainda têm dificuldade em separar esses dois comportamentos. Este estudo acrescenta uma pista química que antes não existia.