Quem se delicia com um sorvete, ou toma sua bebida preferida com gelo, não tem ideia de que aquelas pedrinhas de água solidificada são apenas a fase I de um complexo diagrama de fases da água que forma, na realidade, mais de 20 fases sólidas diferentes.
Na prática, essas formas exóticas de gelo existem em locais muito específicos como laboratórios (fases II-XV e XIX-XX), no interior de planetas e luas geladas (fases XVI e XVII), nos núcleos de Netuno e Urano (fase XVIII), no interior profundo da Terra (fase VII) e em impactos de meteoritos (diversas fases).
Agora, uma equipe internacional de pesquisadores liderada por cientistas do Instituto Coreano de Pesquisa de Padrões e Ciência (KRISS), na Coreia do Sul, conseguiu identificar e descrever uma nova fase chamada gelo XXI, comprimindo a água a altíssimas pressões, mas sem esfriá-la.
Publicado na revista Nature Materials, o estudo apresenta o gelo XXI, “estruturalmente distinto de todas as fases de gelo observadas anteriormente”, segundo um comunicado. Ele é uma forma metaestável de água sólida, ou seja, se forma rapidamente quando a água é comprimida, mas desaparece assim que as condições mudam.
Embora congelar a água à temperatura ambiente não seja um procedimento comum, o objetivo do estudo não foi apenas produzir “gelo quente”, mas descobrir como e por quais caminhos esse congelamento ocorre. Mais do que encontrar uma rota para formar gelo, os autores queriam entender as condições como a água se reorganiza em diferentes estruturas.
“Espremendo” a água para congelá-la à temperatura ambiente
Embora nada pareça tão simples quanto colocar um recipiente cheio de moléculas de H2O em um freezer e transformá-las em gelo (à pressão atmosférica terrestre), a água tem propriedades muito estranhas e complexas que ainda intrigam cientistas.
Diferente da maioria dos líquidos, a água apresenta comportamentos totalmente peculiares, como se tornar mais densa até 4°C, mas diminuir essa densidade ao congelar (o que faz o gelo boiar). Mais intrigante é a alteração de suas propriedades térmicas e de viscosidade quando submetida à pressões elevadas.
Para tentar entender essas estruturas intermediárias, os autores criaram condições de alta pressão em instalações de pesquisa europeia, como o XFEL e o PETRA III. Eles usaram células de bigorna de diamante, um dispositivo que “espreme” a água até pressões milhões de vezes maiores que a atmosférica.
No equipamento, a água foi analisada sob pressões de até 2 gigapascais (GPAs), o equivalente a 20 mil vezes a pressão atmosférica normal, durante 10 milissegundos. Isso permitiu a formação de gelo à temperatura ambiente, porém em um sólido mais denso que o gelo comum, cuja estrutura apresenta grandes espaços entre as moléculas.
Em um comunicado, o autor correspondente Geun Woo Lee, do KRISS, explica que “a rápida compressão da água permite que ela permaneça líquida até pressões maiores, onde normalmente já teria se cristalizado em gelo VI”. O passo seguinte foi documentar em detalhes a trajetória molecular da água durante esse breve período.
O gelo XXI revelado quadro a quadro pelos flashes de raios X
Para estudar como a água se transforma em gelo sob diferentes pressões, os pesquisadores aplicaram inicialmente 2 GPas durante 1 segundo e repetiram o ciclo. Com flashes ultrarrápidos de raios X do XFEL europeu, eles conseguiram capturar imagens microscópicas da formação do gelo em tempo real.
Depois, usando a linha de luz P02.2, sofisticado instrumento de raios X do acelerador de elétrons PETRA III, na Alemanha, a equipe determinou que o gelo XXI possui uma estrutura cristalina tetragonal, composta por unidades repetitivas relativamente grandes, chamadas células unitárias.
Para Lee, “com os pulsos de raios X exclusivos do XFEL europeu, descobrimos múltiplas vias de cristalização em H2O, que foi rapidamente comprimido e descomprimido mais de mil vezes usando uma célula de bigorna de diamante dinâmica” seguindo trajetórias de pressão controladas.
Segundo a coautora Rachel Husband, da equipe DESY HIBEF, “nossas descobertas sugerem que pode existir um número maior de fases de gelo metaestáveis de alta temperatura e suas vias de transição associadas, potencialmente oferecendo novos insights sobre a composição de luas geladas”.
Mesmo realizado em regimes de pressão muito maiores do que os de aplicações comuns, o trabalho amplia nosso conhecimento da fase sólida da água em condições extremas, muito mais complexas do que se esperava, mesmo à temperatura ambiente, e ajuda a refinar modelos usados em ciência planetária, criogenia, engenharia de materiais e biotecnologia.