Os pesquisadores de Stanford capturaram pela primeira vez o congelamento da água, molécula por molécula, em um estranho, forma densa chamada gelo VII ("gelo sete"), encontrado naturalmente em ambientes de outro mundo, como quando corpos planetários gelados colidem.

Além de ajudar os cientistas a entender melhor esses mundos remotos, as descobertas - publicadas online em 11 de julho em Cartas de revisão física - poderia revelar como a água e outras substâncias passam por transições de líquidos para sólidos. Aprender a manipular essas transições pode abrir o caminho algum dia para materiais de engenharia com novas propriedades exóticas.

"Esses experimentos com água são os primeiros desse tipo, permitindo-nos testemunhar uma transição fundamental de desordem para ordem em uma das moléculas mais abundantes do universo, "disse a autora principal do estudo, Arianna Gleason, um pós-doutorado no Laboratório Nacional de Los Alamos e um cientista visitante no Laboratório de Ambientes Extremos da Escola da Terra de Stanford, Energia e Ciências Ambientais.

Os cientistas há muito estudam como os materiais passam por mudanças de fase entre os gases, estado líquido e sólido. Mudanças de fase podem acontecer rapidamente, Contudo, e na escala minúscula de meros átomos. Pesquisas anteriores lutaram para capturar a ação momento a momento das transições de fase, e, em vez disso, trabalhou para trás a partir de sólidos estáveis ​​na montagem dos passos moleculares dados pelos líquidos predecessores.

"Tem havido um grande número de estudos sobre o gelo porque todos querem entender seu comportamento, "disse a autora sênior do estudo Wendy Mao, professor associado de ciências geológicas e investigador principal do Instituto Stanford para Ciências dos Materiais e Energia (SIMES). "O que nosso novo estudo demonstra, e que não foi feito antes, é a capacidade de ver a forma da estrutura de gelo em tempo real. "

Pegando gelo no ato

Essas escalas de tempo tornaram-se alcançáveis ​​graças à Fonte de Luz Coerente Linac, o laser de raios-X mais poderoso do mundo localizado no próximo SLAC National Accelerator Laboratory. Lá, a equipe de ciência irradiou um intenso, laser de cor verde em um pequeno alvo contendo uma amostra de água líquida. O laser vaporizou camadas de diamante instantaneamente em um lado do alvo, gerar uma força semelhante a um foguete que comprimiu a água a pressões superiores a 50, 000 vezes a atmosfera da Terra ao nível do mar.

À medida que a água se compactava, um feixe separado de um instrumento chamado laser de elétrons livres de raios-X chegou em uma série de pulsos brilhantes por apenas um femtossegundo, ou um quatrilionésimo de segundo, grande. Semelhante aos flashes da câmera, este laser de raios-X estroboscópico capturou um conjunto de imagens revelando a progressão das mudanças moleculares, estilo flip book, enquanto a água pressurizada cristalizou em gelo VII. A mudança de fase levou apenas 6 bilionésimos de segundo, ou nanossegundos. Surpreendentemente, durante este processo, as moléculas de água unidas em formas de bastonetes, e não esferas como a teoria previa.

A plataforma desenvolvida para este estudo - combinando alta pressão com imagens instantâneas - pode ajudar os pesquisadores a sondar as inúmeras maneiras como a água congela, dependendo da pressão e da temperatura. Sob as condições da superfície do nosso planeta, a água cristaliza de apenas uma maneira, apelidado de gelo Ih ("gelo um-H") ou simplesmente "gelo hexagonal, "seja em geleiras ou bandejas de cubos de gelo no freezer.

Investigando os tipos de gelo extraterrestres, incluindo gelo VII, vai ajudar os cientistas a modelar ambientes remotos como impactos de cometas, as estruturas internas de suporte potencialmente vital, luas cheias de água como a Europa de Júpiter, e a dinâmica do jumbo, rochoso, exoplanetas oceânicos chamados super-Terras.

"Qualquer satélite gelado ou interior de um planeta está intimamente conectado à superfície do objeto, "Gleason disse." Aprender sobre esses interiores gelados nos ajudará a entender como os mundos em nosso sistema solar se formaram e como pelo menos um deles, até onde sabemos, passou a ter todas as características necessárias para a vida. "