O Instituto de Pesquisa da Coreia para Padrões e Ciência (KRISS, Presidente Lee Ho Seong) capturou a primeira observação de água congelando e derretendo repetidamente sob ultr altas pressões acima de 2 gigapascais (2 GPa), mantendo-se à temperatura ambiente. Essas mudanças rápidas foram registradas em uma escala de tempo de microsegundos (μs, um milionésimo de segundo).
Essa realização 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 chamada de Gelo XXI, tornando-se a 21ª forma cristalina de gelo.
Como Pressões Altas Criam 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 habitual. Por exemplo, a água comprimida além de 0,96 GPa à temperatura ambiente se transforma em Gelo VI.
Durante o congelamento, a rede de ligações de hidrogênio entre as moléculas de água se torna distorcida e reorganizada de maneiras complexas. Essas alterações 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 em condições extremas podem abrir caminho para a criação de novos materiais que não existem naturalmente na Terra.
Um Século de Pesquisa sobre o Gelo Atinge um Novo Marco
Nos últimos 100 anos, os cientistas identificaram 20 fases cristalinas de gelo distintas* ao ajustar a pressão e a temperatura. Essas fases aparecem em uma ampla 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 fase da água, onde mais de dez fases de gelo se agrupam.
O Grupo de Metrologia Espacial do KRISS conseguiu criar um estado líquido supercomprimido em que 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 exigida para a cristalização. Isso foi possível com um célula de bigorrilho de diamante dinâmica (dDAC**), um instrumento de alta pressão desenvolvido no KRISS.
Células de bigorrilho de diamante convencionais (DACs) aumentam a pressão apertando parafusos, um processo que muitas vezes introduz gradientes de pressão e distúrbios mecânicos que acionam a 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, os cientistas do KRISS usaram o dDAC juntamente com o European XFEL (a maior instalação de laser de elétrons livres do mundo) para monitorar a cristalização da água supercomprimida com precisão de microsegundos. Essas observações revelaram caminhos de cristalização complexos e anteriormente não vistos à temperatura ambiente. As transições ocorreram através de uma nova fase de gelo, o 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 diversos caminhos que levam à sua formação. O Gelo XXI apresenta uma celula unitária incomumente grande e intrincada em comparação com outras fases conhecidas. A geometria do cristal é uma rede retangular achatada na qual as duas bordas de base são idênticas em 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 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 Laboratório Nacional de Lawrence Livermore), Dr. Lee Yun-Hee (co-primeiro autor, Cientista Principal de Pesquisa), Dr. Kim Minju (coautor, Pesquisador de Pós-Doutorado), Dr. Cho Yong Chan (coautor, Cientista Principal de Pesquisa) e Dr. Lee Geun Woo (autor correspondente, Cientista Principal de Pesquisa). 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 disse: “A densidade do Gelo XXI é comparável às camadas de gelo de alta pressão dentro das luas geladas de Júpiter e Saturno. Essa descoberta pode fornecer novas pistas para explorar as origens da vida sob 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. A pesquisa contínua sobre pressão ultralta e outros ambientes extremos abrirá novas fronteiras na ciência.”
Notas
* Anteriormente, fases de gelo de Gelo I a Gelo XX haviam sido 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 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 Motores de Foguete Classe K de 4000 do Conselho Nacional de Pesquisa de Ciência e Tecnologia (NST). Os resultados foram publicados na Nature Materials (Fator de Impacto: 38.5) em outubro.
