A água tem muitas fases de gelo que se formam sob diferentes condições de pressão e temperatura. Os efeitos da pressão positiva foram explorados extensivamente, com os resultados um tanto previsíveis:À medida que a pressão aumenta, o mesmo acontece com a densidade do gelo.

Muito menos se sabe, Contudo, sobre os efeitos da pressão negativa extrema nas moléculas de água. Explorando uma região significativa de pressão negativa por meio de simulações de dinâmica molecular, pesquisadores agora descobriram teoricamente uma nova família de fases do gelo. Chamado de aeroices, esses gelos têm a densidade mais baixa de todos os cristais de gelo conhecidos. Os pesquisadores, da Universidade de Okayama no Japão, relatar suas descobertas esta semana em The Journal of Chemical Physics .

"Nossa pesquisa, que examina toda uma região de pressão negativa pela primeira vez, fornece um ponto de partida significativo para explorar este vasto e intrincado território no diagrama de fases, "disse Masakazu Matsumoto, professor associado do Instituto de Pesquisa para Ciências Interdisciplinares da Universidade de Okayama e co-autor do artigo. "Descobriu-se que os gelo com densidade mais baixa do que o gelo normal são múltiplos [de muitos tipos]."

Espera-se que a descoberta acelere a compreensão das propriedades fundamentais e do comportamento da água em nanotubos e outros nanoporos, bem como em biomoléculas.

Dezessete fases de gelo foram encontradas experimentalmente, cada um numerado na ordem de sua descoberta. Apenas dois gelos têm densidade mais baixa do que o gelo normal.

Em 2014, uma equipe de pesquisa descobriu uma fase de gelo que se forma sob pressão negativa:gelo XVI. As moléculas do gelo formam uma estrutura zeólita, uma gaiola cristalina 3-D, em que moléculas ou átomos convidados ficam presos dentro. As moléculas convidadas (partículas de néon, neste caso) foram removidas, resultando em um estável, gelo de densidade ultrabaixa em altas pressões negativas. Usando uma técnica semelhante, outro grupo de pesquisadores descobriu o gelo XVII em 2016.

Os pesquisadores da Universidade de Okayama mapearam todas as possíveis fases do gelo que ainda poderiam ser exploradas na região de pressão negativa. Sabendo que a estrutura da sílica (SiO2) e do gelo são comuns, eles recuperaram 200 zeólitos de sílica do banco de dados de zeólitos, que é administrado pela International Zeolite Association. Mais de 300 estruturas foram avaliadas no geral.

Os pesquisadores reorganizaram os átomos na estrutura de SiO2, removendo os dois átomos de oxigênio e substituindo o átomo de silício em cada molécula por um átomo de oxigênio. Então, os átomos de hidrogênio foram adicionados para que a estrutura obedecesse à regra do gelo.

Na faixa de densidade que é apenas cerca de metade da água líquida (~ 0,5 g / cm ^ 3), os pesquisadores mostraram que a fase de gelo recém-descoberta é mais estável do que qualquer zeólita de gelo investigada até agora. Os pesquisadores simularam estruturas de gelo ainda menos densas - entre 0 e 0,5 gramas por centímetro cúbico - adicionando blocos de construção poliédrica às estruturas zeolíticas para tornar a estrutura mais esparsa enquanto satisfazia a regra estrutural para gelo.

“Essas novas estruturas são os aeroices, "disse Matsumoto, "e eles podem ser mais estáveis ​​do que qualquer gelo zeolítico em certas condições termodinâmicas sob pressão negativa."