Mais de 400 anos atrás, O renomado matemático e cientista Johannes Kepler especulou sobre a criação de uma das formas mais angelicais e únicas da natureza:o floco de neve de seis lados. Embora os átomos não fossem descobertos até mais de dois séculos depois, Kepler ponderou abertamente sobre os blocos de construção microscópicos que levam à formação hexagonal do cristal de gelo, incluindo a miríade de fatores por trás desse fenômeno recorrente.

Agora, uma pesquisa liderada por um químico da Tufts University respondeu às perguntas de Kepler lançando uma nova luz sobre esse processo, combinando um retroespalhamento de elétrons com um grande modelo de gelo de cristal único. Em um estudo publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences , os cientistas descobriram que as faces planas de um cristal de gelo são formadas por um hexágono maior e consiste em uma molécula de água central rodeada por seis outras na mesma camada.

Mary Jane Shultz, Ph.D., professor de química na Escola de Artes e Ciências da Tufts University e primeiro autor do estudo, disse que o hexágono em forma de cadeira tem três moléculas em uma camada e três mais ligeiramente inferiores no que é chamado de estrutura de duas camadas. Os seis lados planos de um floco de neve crescem a partir de um hexágono formado dentro de uma camada. Este hexágono maior é girado 30 graus em relação ao hexágono em forma de cadeira.

"Os flocos de neve crescem a partir do vapor de água. As faces que liberam mais calor (por unidade de área) evaporam, "disse Shultz." A face com a menor liberação de calor é a face hexagonal; a seguir está a face plana do hexágono maior. O lado plano do hexágono em forma de cadeira libera mais calor por área, que se vaporiza. Assim, o prisma hexagonal do floco de neve tem lados planos que correspondem ao hexágono maior. "

Os resultados do estudo desmentem as suposições anteriores de que os flocos de neve crescem dos lados planos do hexágono em forma de cadeira, Shultz disse.

Para determinar como a formação ocorre, os pesquisadores construíram um modelo que equilibra o calor liberado quando as moléculas são incorporadas na estrutura sólida com a probabilidade de adesão bem-sucedida. A combinação de técnicas macroscópicas e de nível molecular permitiu à equipe investigar a mesma superfície em escalas diferentes.

A sonda macroscópica tem sido usada há décadas para investigar o gelo. Esta técnica produz belas imagens visuais da forma hexagonal macroscópica. A sonda de nível molecular é mais recente. Embora um raio-X seja comumente usado para mostrar o nível molecular, Shultz e sua equipe optaram por usar a técnica de difração de elétron retroespalhado, que produz gráficos de densidade de orientação que são mais ilustrativos e visualmente atraentes.

"O acompanhamento cuidadoso da orientação da amostra nos permitiu vincular as duas imagens para produzir a conexão, " ela disse.

A pesquisa confirmou que os pontos de floco de neve se alinham com os eixos cristalográficos mostrados como pontos quentes nos dados de retroespalhamento de elétrons. O significado é que o lado plano de um floco de neve consiste em uma estrutura de duas camadas. A face basal é um hexágono em forma de cadeira; a alteração de cima para baixo forma uma bicamada. O lado plano é um hexágono em forma de barco que consiste em pares de moléculas de água que formam uma ponte na metade inferior da bicamada. Espera-se que a flexibilidade e a mobilidade de um par resultem em uma reatividade única deste rosto, incluindo a conversão potencialmente catalisadora de gases como CO2 e óxidos de nitrogênio na atmosfera. Shultz disse que a equipe agora está investigando essa reatividade.