Experimento de extrema pressão revela uma estranha nova fase de gelo

Esta conquista levou à identificação de um caminho de cristalização completamente novo para a água e à descoberta de uma fase de gelo até então desconhecida. A estrutura recentemente reconhecida foi denominada Gelo XXI, tornando-a 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 levar à cristalização. Sob as condições de pressão corretas, o gelo pode formar-se à temperatura ambiente ou mesmo a temperaturas superiores ao seu ponto de ebulição normal. Por exemplo, a água comprimida acima 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 fica distorcida e reorganizada de maneiras complexas. Essas mudanças produzem uma ampla gama de estruturas de gelo, dependendo da pressão e temperatura circundante.

Uma compreensão mais detalhada de como ocorrem estes rearranjos moleculares, e a capacidade de controlá-los sob condições extremas, poderia abrir caminho para a criação de materiais inteiramente novos que não existem naturalmente na Terra.

Um século de pesquisa no gelo atinge um novo marco

Nos últimos 100 anos, os cientistas identificaram 20 fases distintas de gelo cristalino* ajustando a pressão e a temperatura. Essas fases aparecem em uma faixa enorme de mais de 2.000 K de temperatura e mais de 100 GPa de 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 de gelo diferentes se agrupam.

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

As células de bigorna de diamante convencionais (DACs) aumentam a pressão apertando os parafusos, um processo que frequentemente introduz gradientes de pressão e distúrbios mecânicos que desencadeiam a nucleação prematura. O KRISS dDAC minimiza esses problemas, reduzindo o choque mecânico e reduzindo o tempo de compressão de dezenas de segundos para apenas 10 milissegundos (ms). Isso permitiu que a água fosse empurrada profundamente para a faixa de pressão do Ice VI, permanecendo líquida.

Capturando o nascimento de uma nova fase de gelo

Em colaboração com parceiros internacionais, os cientistas do KRISS usaram o dDAC juntamente com o XFEL europeu (a maior instalação de laser de elétrons livres de raios X do mundo) para monitorar a cristalização da água supercomprimida com precisão de microssegundos. Estas observações revelaram caminhos de cristalização complexos e nunca antes vistos à temperatura ambiente. As transições ocorreram através 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 que levam à sua formação. O Gelo XXI mostra uma célula unitária invulgarmente grande e complexa em comparação com outras fases conhecidas. A geometria do cristal é uma rede retangular achatada na qual as duas bordas da base têm comprimento idêntico.

Uma grande colaboração internacional

Esta descoberta envolveu 33 investigadores da Coreia do Sul, Alemanha, Japão, EUA e Inglaterra, juntamente com cientistas do XFEL e DESY europeu. O projeto foi proposto e liderado por KRISS sob a direção do Dr. Lee Geun Woo, que atuou como investigador principal (PI).

A equipe do KRISS incluiu o Dr. Kim Jin Kyun (co-primeiro autor, pesquisador de pós-doutorado no KRISS), Dr. Geun Woo (autor correspondente, Cientista Pesquisador Principal). Eles lideraram o projeto experimental, a coleta de dados e a análise estrutural que permitiram a primeira identificação do Gelo XXI. Seu trabalho representa um grande avanço para a física de alta pressão e para a ciência planetária.

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.”

Lee Geun Woo acrescentou: “Ao combinar nossa tecnologia dDAC desenvolvida internamente com o XFEL, fomos capazes de capturar momentos fugazes que eram inacessíveis com instrumentos convencionais. A pesquisa contínua em ambientes de pressão ultra-alta e outros ambientes extremos abrirá novas fronteiras na ciência.”

Notas

* Anteriormente, foram relatadas fases de gelo de Gelo I a Gelo XX. 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 e observar dinamicamente mudanças de pressão em uma amostra microscópica de água.

Esta pesquisa foi apoiada pelo Projeto de Desenvolvimento de Tecnologias de Medição e Materiais de Ultra-Alta Temperatura para Motores de Foguete classe 4000 K do Conselho Nacional de Pesquisa de Ciência e Tecnologia (NST). Os resultados foram publicados em Materiais da Natureza (Fator de Impacto: 38,5) em outubro.