O Instituto Coreano de Padrões e Ciência (KRISS, Diretor Lee Ho Seong) observou pela primeira vez que a água mantida em temperatura ambiente congelou e derreteu repetidamente em pressões ultra-altas acima de 2 gigapascais (2 GPa). Estas mudanças rápidas são registadas numa escala de tempo de microssegundos (µs, milionésimos de segundo).
Esta conquista levou à identificação de um caminho de cristalização de água inteiramente novo e à descoberta de fases de gelo até então desconhecidas. A estrutura recém-descoberta foi chamada de Gelo XXI, tornando-se a 21ª forma cristalina de gelo.
Como a alta pressão cria novas formas de gelo
A água geralmente se transforma em gelo em temperaturas abaixo de 0 °C, mas a pressão também pode causar cristalização. Sob as condições de pressão corretas, o gelo pode formar-se à temperatura ambiente ou mesmo a temperaturas acima do seu ponto de ebulição normal. Por exemplo, a água comprimida além de 0,96 GPa à temperatura ambiente se transformará em gelo VI.
Durante o congelamento, a rede de ligações de hidrogênio entre as moléculas de água se torce e se reorganiza de maneiras complexas. Essas mudanças produzem várias estruturas de gelo dependendo da pressão e da temperatura ambiente.
Uma compreensão mais detalhada de como ocorrem esses 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 novo marco
Nos últimos 100 anos, os cientistas identificaram 20 fases diferentes de gelo cristalino* ajustando a pressão e a temperatura. Essas fases ocorrem em temperaturas superiores a 2.000 K e faixas de pressão superiores a 100 GPa. A região 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 uma dúzia de diferentes fases de gelo se juntam.
O grupo de metrologia espacial da KRISS conseguiu criar um estado líquido supercomprimido no qual a água permanece líquida à temperatura ambiente, apesar de ser pressurizada a mais de 2 GPa, que é mais do que o dobro da pressão normalmente necessária para a cristalização. Isto é conseguido através da Dynamic Diamond Anvil Cell (dDAC**), um instrumento de alta pressão desenvolvido pela KRISS.
As bigornas de diamante convencionais (DAC) aumentam a pressão apertando os parafusos, um processo que frequentemente introduz gradientes de pressão e perturbações mecânicas que desencadeiam a nucleação prematura. O KRISS dDAC minimiza esses problemas, reduzindo o choque mecânico e encurtando o tempo de compressão de dezenas de segundos para apenas 10 milissegundos (ms). Isso permite que a água seja empurrada profundamente para dentro da faixa de pressão do Ice VI enquanto permanece líquida.
Capturando o nascimento de uma nova fase de gelo
Os cientistas do KRISS, trabalhando com parceiros internacionais, usaram o dDAC com o XFEL da Europa, a maior instalação de laser de elétrons livres de raios X do mundo, para monitorar a cristalização de água ultracomprimida com precisão de microssegundos. Estas observações revelam caminhos de cristalização complexos e nunca antes vistos à temperatura ambiente. Estas transições ocorrem numa nova fase de gelo, “Gelo XXI”, marcando a primeira vez que a 21ª forma de cristal de gelo foi identificada em todo o mundo.
Os pesquisadores também determinaram a estrutura detalhada do Gelo XXI e mapearam os vários caminhos que levam à sua formação. Ice XXI exibe uma célula unitária incomumente grande e complexa em comparação com outras fases conhecidas. A geometria do cristal é a de uma rede retangular plana na qual ambas as bases têm o mesmo comprimento.
Grande cooperação internacional
A descoberta envolveu 33 investigadores da Coreia do Sul, Alemanha, Japão, Estados Unidos e Reino Unido, bem como cientistas do XFEL e DESY da Europa. Este projeto foi proposto e liderado por KRISS sob a orientação do Dr. Lee Geun Woo, Investigador Principal (PI).
A equipe KRISS inclui Dr. Kim Jin Kyun (co-primeiro autor, pesquisador de pós-doutorado KRISS), Dr. (autor correspondente, cientista pesquisador principal). Eles lideraram o projeto experimental, a coleta de dados e a análise estrutural que levaram à primeira identificação do Gelo XXI. O seu trabalho representa um grande avanço na física de alta pressão e na ciência planetária.
Lee Yun-hee disse: “A densidade da 21ª camada de gelo 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 a origem da vida em condições extremas no espaço.”
Lee Geun Woo acrescentou: “Ao combinar nossa tecnologia dDAC desenvolvida internamente com o XFEL, somos capazes de capturar momentos fugazes que os instrumentos tradicionais não conseguem capturar. A pesquisa contínua em pressão ultra-alta e outros ambientes extremos abrirá novas fronteiras na ciência.”
notas
* As fases de gelo de Ice I a Ice XX foram relatadas anteriormente. O gelo I aparece em duas formas estruturais: gelo hexagonal Ih e gelo cúbico Ic.
** O dDAC é um dispositivo de alta pressão que utiliza um par de atuadores piezoelétricos e de diamante para controlar e observar dinamicamente mudanças de pressão em amostras microscópicas de água.
A pesquisa foi apoiada pelo projeto de desenvolvimento de materiais de ultra-alta temperatura e tecnologia de medição do motor de foguete classe 4000K do Conselho Nacional de Pesquisa em Ciência e Tecnologia (NST). Os resultados foram publicados em materiais naturais (Fator de impacto: 38,5) Outubro.
