Experimento sob alta pressão descobre uma nova fase de gelo intrigante.

Essa conquista levou à identificação de um novo caminho de cristalização para a água e à descoberta de uma fase de gelo anteriormente desconhecida. A nova estrutura reconhecida foi nomeada Gelo XXI, tornando-se a 21ª forma cristalina de gelo.

Como a Alta Pressão Cria Novas Formas de Gelo

A água normalmente se transforma em gelo quando sua temperatura cai abaixo de 0 °C, mas a pressão também pode induzir a cristalização. Sob as condições de pressão adequadas, o gelo pode se formar à temperatura ambiente ou até mesmo em temperaturas superiores ao seu ponto de ebulição usual. Por exemplo, água comprimida além de 0,96 GPa à temperatura ambiente transforma-se em Gelo VI.

Durante o congelamento, a rede de ligações de hidrogênio entre as moléculas de água se distorce e reorganiza de maneiras complexas. Essas mudanças produzem uma ampla gama de estruturas de gelo dependendo da pressão e temperatura circundantes.

Um entendimento mais detalhado de como essas rearrumações moleculares ocorrem e a capacidade de controlá-las sob condições extremas pode abrir caminho para a criação de novos materiais que não existem naturalmente na Terra.

Um Século de Pesquisa sobre Gelo Alcança um Novo Marco

Nos últimos 100 anos, os cientistas identificaram 20 fases cristalinas distintas de gelo* ajustando pressão e temperatura. Essas fases aparecem em uma faixa enorme de mais de 2.000 K em temperatura e mais de 100 GPa em pressão. A zona entre a pressão ambiente (0 GPa) e 2 GPa é considerada uma das regiões mais complexas do diagrama de fases da água, onde mais de dez fases diferentes de gelo se agrupam.

O Grupo de Metrologia Espacial do KRISS conseguiu criar um estado líquido supercomprimido no qual a água permaneceu líquida à temperatura ambiente, apesar de estar pressurizada a mais de 2 GPa, que é mais do que o dobro da pressão normalmente necessária para a cristalização. Isso foi possibilitado com um célula de ânulo de diamante dinâmica (dDAC**), um instrumento de alta pressão desenvolvido no KRISS.

Células de ânulo de diamante convencionais (DACs) aumentam a pressão apertando parafusos, um processo que muitas vezes introduz gradientes de pressão e distúrbios mecânicos que desencadeiam nucleação prematura. O dDAC do KRISS minimiza esses problemas reduzindo o choque mecânico e cortando o tempo de compressão de dezenas de segundos para apenas 10 milissegundos (ms). Isso permitiu que a água fosse empurrada profundamente na faixa de pressão do Gelo VI enquanto permanecia líquida.

Capturando o Nascimento de uma Nova Fase de Gelo

Em colaboração com parceiros internacionais, cientistas do KRISS usaram o dDAC juntamente com o European XFEL (a maior instalação de laser de elétron livre de raios-X do mundo) para monitorar a cristalização da água supercomprimida com precisão de microsegundos. Essas observações revelaram caminhos de cristalização complexos, anteriormente não vistos, à temperatura ambiente. As transições ocorreram por meio de uma nova fase de gelo, Gelo XXI, marcando a primeira identificação global da 21ª forma cristalina de gelo.

Os pesquisadores também determinaram a estrutura detalhada do Gelo XXI e mapearam os vários caminhos levando à sua formação. O Gelo XXI apresenta uma célula unitária grande e intrincada em comparação com outras fases conhecidas. A geometria do cristal é uma rede retangular achatada na qual as duas bordas base possuem o mesmo comprimento.

Uma Grande Colaboração Internacional

Essa descoberta envolveu 33 pesquisadores da Coreia do Sul, Alemanha, Japão, EUA e Inglaterra, além de cientistas do European XFEL e DESY. O projeto foi proposto e liderado pelo KRISS sob a direção do Dr. Lee Geun Woo, que atuou como investigador principal (PI).

A equipe do KRISS incluiu Dr. Kim Jin Kyun (co-primeiro autor, pesquisador de pós-doutorado no KRISS), Dr. Kim Yong-Jae (co-primeiro autor, ex-pesquisador de pós-doutorado no KRISS e agora no Laboratório Nacional Lawrence Livermore), Dr. Lee Yun-Hee (co-primeiro autor, Cientista Principal de Pesquisa), Dr. Kim Minju (co-autor, Pesquisador de Pós-Doutorado), Dr. Cho Yong Chan (co-autor, Cientista Principal de Pesquisa) e Dr. Lee Geun Woo (autor correspondente, Cientista Principal de Pesquisa). Eles lideraram o design experimental, coleta de dados e análise estrutural que possibilitou a primeira identificação do Gelo XXI. Seu trabalho representa um grande avanço para a física de alta pressão e a ciência planetária.

Dr. Lee Yun-Hee disse: “A densidade do Gelo XXI é comparável às camadas de gelo de alta pressão dentro das luas geladas de Júpiter e Saturno. Esta descoberta pode fornecer novas pistas para explorar as origens da vida sob condições extremas no espaço.”

Dr. Lee Geun Woo acrescentou: “Ao combinar nossa tecnologia dDAC desenvolvida internamente com o XFEL, conseguimos capturar momentos fugazes que haviam sido inacessíveis com instrumentos convencionais. A pesquisa contínua sobre alta pressão e outros ambientes extremos abrirá novas fronteiras na ciência.”

Notas

* Anteriormente, as fases de gelo do Gelo I ao Gelo XX foram relatadas. O Gelo I aparece em duas formas estruturais: o Gelo hexagonal Ih e o Gelo cúbico Ic.

** O dDAC é um dispositivo de alta pressão que utiliza um par de diamantes e atuadores piezoelétricos para controlar dinamicamente e observar mudanças de pressão em uma amostra de água microscópica.

Essa pesquisa foi apoiada pelo Projeto de Desenvolvimento de Materiais e Tecnologias de Medição de Ultra-Altas Temperaturas para Motores de Foguete de Classe 4000 K do Conselho Nacional de Pesquisa em Ciência e Tecnologia (NST). Os resultados foram publicados na Nature Materials (Fator de Impacto: 38.5) em outubro.