O Instituto Coreano de Padrões e Ciência (KRISS, Presidente Lee Ho Seong) conseguiu capturar a primeira observação de água congelando e derretendo repetidamente a pressões ultraltas acima de 2 gigapascais (2 GPa) enquanto permanece à temperatura ambiente. Essas mudanças rápidas foram registradas em uma escala de tempo de microsegundos (μs, um milionésimo de segundo).
Essa conquista levou à identificação de um caminho de cristalização completamente novo para a água e à descoberta de uma fase de gelo desconhecida anteriormente. 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 mesmo a temperaturas superiores ao seu ponto de ebulição habitual. Por exemplo, a 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 torna-se distorcida e reorganizada de maneiras complexas. Essas alterações produzem uma ampla gama de estruturas de gelo dependendo da pressão e temperatura ao redor.
Um entendimento mais detalhado de como ocorrem essas reorganizações moleculares, e a capacidade de controlá-las em condições extremas, pode abrir o caminho para a criação de materiais inteiros 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* ao ajustar pressão e temperatura. Essas fases aparecem em uma vasta faixa 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 diferentes fases de gelo se agrupam.
O Grupo de Metrologia Espacial do KRISS conseguiu criar um estado de líquido supercomprimido em que a água permaneceu líquida à temperatura ambiente, apesar de estar sob pressão superior a 2 GPa, que é mais do que o dobro da pressão normalmente necessária para a cristalização. Isso foi possível com um célula de bigorna de diamante dinâmica (dDAC**), um instrumento de alta pressão desenvolvido no KRISS.
Células de bigorna de diamante convencionais (DACs) aumentam a pressão apertando parafusos, um processo que muitas vezes introduz gradientes de pressão e distúrbios mecânicos que acionam 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 para a faixa de pressão do Gelo VI enquanto permanecia líquida.
Capturando o Nascimento de uma Nova Fase de Gelo
Em colaboração com parceiros internacionais, os cientistas do KRISS utilizaram o dDAC juntamente com o European XFEL (a maior instalação de laser de elétrons livres de raios-X do mundo) para monitorar a cristalização de água supercomprimida com precisão de microsegundos. Essas observações revelaram caminhos de cristalização complexos e não vistos anteriormente 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 apresenta uma célula unitária extraordinariamente grande e intrincada em comparação com outras fases conhecidas. A geometria do cristal é uma rede retangular achatada na qual os dois lados da base têm o mesmo comprimento.
Uma Grande Colaboração Internacional
Essa descoberta envolveu 33 pesquisadores da Coreia do Sul, Alemanha, Japão, EUA e Inglaterra, juntamente com 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 o 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 Lawrence Livermore National Laboratory), Dr. Lee Yun-Hee (co-primeiro autor, cientista de pesquisa principal), Dr. Kim Minju (coautor, pesquisador de pós-doutorado), Dr. Cho Yong Chan (coautor, cientista de pesquisa principal) e Dr. Lee Geun Woo (autor correspondente, cientista de pesquisa principal). Eles lideraram o design experimental, a coleta de dados e a análise estrutural que possibilitaram a primeira identificação do Gelo XXI. Seu trabalho representa um grande avanço para a física de alta pressão e a ciência planetária.
O Dr. Lee Yun-Hee afirmou: “A densidade do Gelo XXI é comparável às camadas de gelo sob alta pressão no interior das luas geladas de Júpiter e Saturno. Essa descoberta pode fornecer novas pistas para explorar as origens da vida em condições extremas no espaço.”
O Dr. Lee Geun Woo acrescentou: “Ao combinar nossa tecnologia dDAC desenvolvida internamente com o XFEL, conseguimos capturar momentos efêmeros que eram inacessíveis com instrumentos convencionais. Pesquisas contínuas sobre alta pressão e outros ambientes extremos abrirão novas fronteiras na ciência.”
Notas
* Anteriormente, as fases de gelo do Gelo I ao Gelo XX haviam sido relatadas. O Gelo I aparece em duas formas estruturais: o Gelo Ih hexagonal e o Gelo Ic cúbico.
** O dDAC é um dispositivo de alta pressão que usa um par de diamantes e atuadores piezoelétricos para controlar e observar dinamicamente as mudanças de pressão em uma amostra microscópica de água.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Projeto de Desenvolvimento de Materiais e Tecnologias de Medição de Alta Temperatura de Motor de Foguete Classe 4000 K da Conselho Nacional de Pesquisa em Ciência e Tecnologia (NST). Os resultados foram publicados na Nature Materials (Fator de Impacto: 38,5) em outubro.
