Em dias frios, o vapor de água no ar pode se transformar diretamente em gelo sólido, depositar uma camada fina em superfícies como uma vidraça ou pára-brisa de carro. Embora seja comum, esse processo tem mantido físicos e químicos ocupados tentando descobrir os detalhes por décadas.

Em um novo Natureza papel, uma equipe internacional de cientistas descreve a primeira visualização da estrutura atômica do gelo bidimensional à medida que ele se forma. Insights das descobertas, que foram impulsionados por simulações de computador que inspiraram o trabalho experimental, pode um dia informar o projeto de materiais que tornem a remoção do gelo um processo mais simples e menos oneroso.

"Uma das coisas que acho muito empolgantes é que isso desafia a visão tradicional de como o gelo cresce, "diz Joseph S. Francisco, um químico atmosférico na Universidade da Pensilvânia e um autor no papel.

“Conhecer a estrutura é muito importante, "acrescenta o co-autor Chongqin Zhu, um pós-doutorado no grupo de Francisco que liderou grande parte do trabalho computacional para o estudo. "A água de baixa dimensão é onipresente na natureza e desempenha um papel crítico em um espectro incrivelmente amplo de ciências, incluindo ciência de materiais, química, biologia, e ciência atmosférica.

"Também tem um significado prático. Por exemplo, remover o gelo é fundamental quando se trata de coisas como turbinas eólicas, que não podem funcionar quando estão cobertos de gelo. Se entendermos a interação entre a água e as superfícies, então poderemos desenvolver novos materiais para facilitar a remoção do gelo. "

Nos últimos anos, O laboratório de Francisco dedicou considerável atenção ao estudo do comportamento da água, e especificamente gelo, na interface de superfícies sólidas. O que eles aprenderam sobre os mecanismos e estruturas de crescimento do gelo neste contexto os ajuda a entender como o gelo se comporta em cenários mais complexos, como ao interagir com outros produtos químicos e vapor de água na atmosfera.

"Estamos interessados ​​na química do gelo na transição com a fase gasosa, já que é relevante para as reações que estão acontecendo em nossa atmosfera, "Francisco explica.

Para entender os princípios básicos do crescimento do gelo, os pesquisadores entraram nessa área de estudo investigando estruturas bidimensionais:camadas de gelo com apenas várias moléculas de água de espessura.

Em estudos anteriores de gelo bidimensional, usando métodos computacionais e simulações, Francisco, Zhu, e colegas mostraram que o gelo cresce de forma diferente dependendo se uma superfície repele ou atrai água, e a estrutura dessa superfície.

No trabalho atual, eles buscaram a verificação do mundo real de suas simulações, entrando em contato com uma equipe da Universidade de Pequim para ver se eles poderiam obter imagens de gelo bidimensional.

A equipe de Pequim empregou microscopia de força atômica superpoderosa, que usa uma sonda mecânica para "sentir" o material que está sendo estudado, traduzir o feedback em imagens de resolução em nanoescala. A microscopia de força atômica é capaz de capturar informações estruturais com um mínimo de interrupção no próprio material, permitindo aos cientistas identificar até mesmo estruturas intermediárias instáveis ​​que surgiram durante o processo de formação de gelo.

Praticamente todo o gelo que ocorre naturalmente na Terra é conhecido como gelo hexagonal por sua estrutura de seis lados. É por isso que todos os flocos de neve têm simetria sêxtupla. Um plano de gelo hexagonal tem uma estrutura semelhante à do gelo bidimensional e pode terminar em dois tipos de bordas - "ziguezague" ou "poltrona". Normalmente, esse plano de gelo natural termina com bordas em zigue-zague.

Contudo, quando o gelo cresce em duas dimensões, os pesquisadores descobriram que o padrão de crescimento é diferente. O trabalho atual, pela primeira vez, mostra que as bordas da poltrona podem ser estabilizadas e que seu crescimento segue uma nova via de reação.

“Este é um mecanismo totalmente diferente do que era conhecido, "Zhu diz.

Embora se acreditasse que os padrões de crescimento em ziguezague tinham apenas anéis de seis membros de moléculas de água, os cálculos de Zhu e a microscopia de força atômica revelaram um estágio intermediário em que anéis de cinco membros estavam presentes.

Este resultado, os pesquisadores dizem, pode ajudar a explicar as observações experimentais relatadas em seu artigo PNAS 2017, que descobriu que o gelo pode crescer de duas maneiras diferentes em uma superfície, dependendo das propriedades dessa superfície.

Além de fornecer uma visão sobre o design futuro de materiais conducentes à remoção de gelo, as técnicas utilizadas no trabalho também são aplicáveis ​​para sondar o crescimento de uma grande família de materiais bidimensionais além de gelos bidimensionais, abrindo assim uma nova avenida de visualização da estrutura e dinâmica da matéria de baixa dimensão.

Para o químico Jeffrey Saven, um professor da Penn Arts &Sciences que não estava diretamente envolvido no trabalho atual, a colaboração entre os teóricos do grupo de Francisco e seus colegas na China trouxe à mente uma parábola que aprendeu com um mentor durante sua formação.

"Um experimentalista está conversando com teóricos sobre os dados coletados no laboratório. O teórico medíocre diz:'Eu realmente não posso explicar seus dados.' O bom teórico diz, "Tenho uma teoria que se ajusta aos seus dados." O grande teórico diz, 'Isso é interessante, mas aqui está o experimento que você deve fazer e por quê. '"

Para construir esta parceria de sucesso, Zhu, Francisco, e seus colegas estão embarcando em trabalhos teóricos e experimentais para começar a preencher as lacunas relacionadas à forma como o gelo bidimensional se constrói em três dimensões.

“O trabalho bidimensional é fundamental para colocar o fundo, "diz Francisco." E ter os cálculos verificados por experimentos é tão bom, porque isso nos permite voltar aos cálculos e dar o próximo passo ousado em direção às três dimensões. "

"Procurar características de gelo tridimensional será o próximo passo, "Zhu diz, "e deve ser muito importante na busca de aplicações desse trabalho."