Uma fase invulgar de gelo foi identificada em experiências realizadas com o maior laser de raios X do planeta. Trata-se do gelo XXI, uma forma inesperada que consegue surgir à temperatura ambiente quando a água é submetida a pressões extremas.
Do gelo I ao gelo XVIII: as muitas faces do H₂O
O gelo solidificado que encontramos no dia a dia na Terra é, em termos técnicos, o gelo I. No entanto, esta é apenas uma entre várias maneiras de o H₂O se organizar no estado sólido: ao variar a temperatura e a pressão, a água pode formar mais de 20 fases distintas.
Num cenário mais exótico, por exemplo, em ambientes como Neptuno, seria plausível imaginar “cubos” de gelo XVIII em bebidas - uma ideia que ilustra até que ponto as condições físicas podem alterar a estrutura do gelo.
O que torna o gelo XXI diferente
O gelo XXI passa agora a integrar esta família de fases, destacando-se por apresentar uma estrutura cristalina tetragonal. A sua singularidade está também nas unidades repetitivas relativamente grandes, compostas por 152 moléculas de água, o que o torna distinto de todas as outras fases de gelo conhecidas até ao momento.
Como o European XFEL e a célula de bigorna de diamante revelaram o gelo XXI
Apesar do fascínio, não é algo que se consiga produzir num congelador doméstico - nem, na prática, em qualquer congelador. Para o obter, a equipa recorreu a uma célula de bigorna de diamante no European XFEL, uma instalação na Alemanha.
Neste procedimento, a água foi comprimida até 2 gigapascais (cerca de 20 000 vezes a pressão do ar ao nível do mar) em apenas 10 milissegundos. Em seguida, a pressão foi aliviada de forma relativamente lenta, ao longo de 1 segundo, e o ciclo foi repetido sucessivamente. Durante todo o processo, os raios X registaram um milhão de imagens por segundo, permitindo acompanhar em tempo real como a estrutura cristalina ia mudando.
Estas experiências mostram como, quando a água é forçada a transições rápidas, pode “experimentar” diferentes arranjos atómicos antes de estabilizar - um detalhe crucial para compreender a cristalização em condições extremas.
Um degrau intermédio no caminho para o gelo VI
Os resultados indicam que o gelo XXI é uma de várias etapas possíveis de transição enquanto a água progride para uma fase exótica conhecida como gelo VI.
“Com os impulsos de raios X únicos do European XFEL, identificámos múltiplos percursos de cristalização no H₂O, que foi comprimido e descomprimido rapidamente mais de 1 000 vezes usando uma célula dinâmica de bigorna de diamante”, afirma Geun Woo Lee, físico do Instituto Coreano de Investigação de Normas e Ciência.
O que esta descoberta sugere para luas e planetas gelados
A identificação do gelo XXI reforça a ideia de que podem existir outras fases ainda desconhecidas em corpos celestes ricos em gelo, como luas geladas e planetas onde as pressões internas são enormes. Compreender estas fases ajuda a melhorar modelos sobre a dinâmica do gelo profundo, a forma como o calor é transportado e até a evolução estrutural de camadas internas sob compressão.
Além disso, mapear os diferentes percursos de cristalização do H₂O sob compressão e descompressão rápidas pode ser determinante para futuras experiências: ao ajustar a duração dos ciclos, as taxas de variação de pressão e as condições iniciais, os investigadores poderão aumentar as hipóteses de capturar fases transitórias raras - ou mesmo revelar novas formas de gelo.
O estudo foi publicado na revista científica Materiais da Natureza.
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