O gelo é onipresente e impacta profundamente nossa vida diária, influenciando áreas como as mudanças climáticas, transporte, e consumo de energia. A compreensão do processo de formação de gelo pode desacelerar a taxa de derretimento das geleiras e o aumento do nível do mar, além de aliviar outras grandes preocupações ambientais.

Uma vez que a formação de gelo é governada principalmente pela nucleação de gelo seguida pelo crescimento dos núcleos, os cientistas fizeram um grande esforço para compreender a termodinâmica e a cinética por trás dos processos de nucleação. A nucleação do gelo pode ocorrer de duas maneiras distintas:homogeneamente na água a granel ou heterogeneamente na superfície de um material sólido, onde a nucleação de gelo heterogênea (HIN) é o modo predominante de formação de gelo na terra. Contudo, ao contrário da nucleação de gelo homogênea, as interações água-superfície presentes no HIN tornam o processo de nucleação sensível às propriedades da superfície. Compreender como as superfícies afetam o processo de nucleação é uma abordagem promissora para prever e controlar melhor os processos de cristalização.

Um modelo comum usado para quantificar a cinética de nucleação com base em uma estrutura termodinâmica, teoria de nucleação clássica (CNT), sugere que as moléculas de água devem formar um núcleo de gelo de tamanho crítico antes que ocorra um processo de cristalização. A formação do núcleo crítico de gelo está associada a uma única barreira de energia livre, que precisa ser superado para desencadear um maior crescimento de gelo. Contudo, ao longo dos anos, ambos os experimentos e simulações revelaram que o CNT é frequentemente insuficiente para descrever alguns processos de nucleação complexos. Consequentemente, A CNT tem sido um assunto de imenso debate, e teorias de nucleação não clássicas foram propostas alternativamente.

Diferente do CNT, que se baseia na superação de uma única barreira de energia livre, teorias de nucleação não clássicas sugerem que os processos de nucleação consistem em duas ou mais etapas separadas por múltiplas barreiras de energia livre. Embora as teorias de nucleação não clássicas possam ser um modelo mais sustentável, os mecanismos atomísticos e evoluções estruturais durante a formação do núcleo em vias de nucleação não clássicas não são bem conhecidos; e continua a ser um desafio para as técnicas experimentais desvendar.

Agora, pela primeira vez, um grupo de pesquisadores da HKUST liderado pelo Prof. Xuhui Huang do Departamento de Química combinou Modelos de Estado de Markov (MSMs) - que modelam a dinâmica de longa escala de moléculas químicas - e a teoria do caminho de transição (TPT) - que descreve a via de reação de raros eventos - para elucidar as vias de conjunto de HIN. Os MSMs identificam estados intermediários de misturas desordenadas de gelo e comparam caminhos paralelos (clássico vs. não clássico). Essa vantagem ajudou a desvendar os mecanismos subjacentes aos processos de nucleação não clássicos e a coexistência das duas vias.

Esses pesquisadores mostram que a mistura desordenada de gelo estabiliza o núcleo crítico e torna a via de nucleação não clássica tão acessível quanto a via clássica, cujo núcleo crítico consiste principalmente de gelo potencial favorecido por energia. Eles também descobriram que em temperaturas elevadas, o processo de nucleação prefere prosseguir através do caminho clássico, uma vez que as contribuições de energia potencial, que favorecem o caminho clássico, prevalecer.

"Não apenas nosso trabalho revela os mecanismos de processos de nucleação não clássicos, mas também demonstra como a combinação de MSMs e TPT oferece uma estrutura poderosa para estudar as evoluções estruturais dos processos de nucleação de gelo, "disse o Prof. Huang." Mais importante, este método pode ser estendido a outros processos de nucleação de cristal que são desafiadores para estudar, que abrirá novas portas para os cientistas que tentam prever e controlar os processos de cristalização. "

Os resultados foram publicados recentemente na revista científica Nature Communications . O primeiro autor deste trabalho:Dr. Chu Li é um afiliado de longa data da HKUST que concluiu seu Ph.D., e atualmente realiza seu pós-doutorado na HKUST.