Esquerda:Nuvens de gelo na atmosfera superior espalham luz, às vezes criando halos ao redor do sol. Para entender melhor como as nuvens interagem com a luz do sol e a atmosfera, pesquisadores criaram uma forma especial de gelo no laboratório. À direita:Os cristais de gelo recém-criados espalham os raios-X em um padrão de círculos concêntricos com uma determinada frequência e intensidade, indicando que as moléculas de água nos cristais têm um arranjo cúbico quase perfeito. Crédito:Foto via Pixabay, Imagem de difração de raios-X cortesia da The Ohio State University.
Você não encontrará cubos de gelo como este no seu freezer.
Uma equipe internacional de cientistas estabeleceu um novo recorde para a criação de cristais de gelo que têm um arranjo cúbico quase perfeito de moléculas de água - uma forma de gelo que pode existir nas nuvens mais frias de grande altitude, mas é extremamente difícil de fazer na Terra.
A capacidade de fazer e estudar gelo cúbico em laboratório pode melhorar os modelos de computador de como as nuvens interagem com a luz do sol e a atmosfera - duas chaves para entender as mudanças climáticas, disse Barbara Wyslouzil, líder do projeto e professor de engenharia química e biomolecular na The Ohio State University.
Também pode aumentar nossa compreensão da água - uma das moléculas mais importantes para a vida em nosso planeta.
Visto sob um microscópio, gelo de água normal - tudo, desde lagos congelados, nevar, ao gelo que fazemos em casa - é feito de cristais com simetria hexagonal, Wyslouzil explicou. Mas com apenas uma ligeira mudança na forma como as moléculas de água estão organizadas no gelo, os cristais podem assumir a forma cúbica.
Até aqui, pesquisadores usaram a presença de nuvens de gelo cúbicas frias bem acima da superfície da Terra para explicar halos interessantes observados ao redor do sol, bem como a presença de cristais de gelo triangulares na atmosfera. Os cientistas lutaram por décadas para fazer gelo cúbico em laboratório, mas porque a forma cúbica é instável, o mais perto que alguém chegou foi de fazer cristais híbridos que são cerca de 70 por cento cúbicos, 30 por cento hexagonal.
Os pesquisadores criaram cristais de gelo com um arranjo cúbico quase perfeito de moléculas de água, para entender melhor como as nuvens de gelo de alta altitude interagem com a luz do sol e a atmosfera. Nesta imagem de difração de raios-X, os cristais de gelo espalharam raios-X para criar anéis concêntricos, que são uma impressão digital do arranjo molecular dentro dos cristais. Crédito:The Ohio State University.
Em um artigo publicado no Journal of Physical Chemistry Letters , Wyslouzil, Andrew Amaya, associado de pesquisa de pós-graduação, e seus colaboradores descrevem como foram capazes de criar gotículas de água congelada que eram quase 80% cúbicas.
"Embora 80 por cento possa não soar quase perfeito, 'a maioria dos pesquisadores não acredita mais que 100 por cento de gelo cúbico puro pode ser obtido no laboratório ou na natureza, "ela disse." Então a questão é, quão cúbico podemos fazer com a tecnologia atual? Experimentos anteriores e simulações de computador observaram gelo que é cerca de 75 por cento cúbico, mas superamos isso. "
Para fazer o gelo altamente cúbico, os pesquisadores extraíram nitrogênio e vapor d'água através de bocais em velocidades supersônicas. Quando o gás se expandiu, ela esfriou e formou gotículas cem mil vezes menores do que a gota de chuva média. Essas gotículas foram altamente super-resfriadas, o que significa que eles estavam líquidos bem abaixo da temperatura normal de congelamento de 32 graus Fahrenheit (0 graus Celsius). Na verdade, as gotas permaneceram líquidas até cerca de -55 graus Fahrenheit (cerca de -48 graus Celsius) e então congelaram em cerca de um milionésimo de segundo.
Para medir a cubicidade do gelo formado no bico, pesquisadores realizaram experimentos de difração de raios-X na Linac Coherent Light Source (LCLS) no SLAC National Accelerator Laboratory em Menlo Park, CA. Lá, eles atingiram as gotículas com o laser de raios-X de alta intensidade do LCLS e registraram o padrão de difração em uma câmera de raios-X. Eles viram anéis concêntricos em comprimentos de onda e intensidades que indicavam que os cristais tinham cerca de 80% cúbicos.
As temperaturas extremamente baixas e o congelamento rápido foram cruciais para a formação de gelo cúbico, Wyslouzil disse:"Uma vez que as gotas de água líquida em nuvens de grande altitude são normalmente super-resfriadas, há uma boa chance de formação de gelo cúbico ali. "
Não se sabe exatamente por que foi possível fazer cristais com cerca de 80 por cento de cubicidade. Mas, então de novo, exatamente como a água congela no nível molecular também é desconhecido.
"Quando a água congela lentamente, podemos pensar no gelo como sendo construído a partir de moléculas de água da mesma forma que você constrói uma parede de tijolos, um tijolo em cima do outro, "disse Claudiu Stan, pesquisador associado do Stanford PULSE Institute no SLAC e parceiro no projeto. "Mas o congelamento em nuvens de grande altitude acontece muito rápido para ser esse o caso - em vez disso, congelamento pode ser pensado como o início de uma pilha desordenada de tijolos que se reorganiza rapidamente para formar uma parede de tijolos, possivelmente contendo defeitos ou tendo uma disposição incomum. Esse tipo de processo de fabricação de cristais é tão rápido e complexo que precisamos de equipamentos sofisticados apenas para começar a ver o que está acontecendo. Nossa pesquisa é motivada pela ideia de que no futuro podemos desenvolver experimentos que nos permitirão ver os cristais como eles se formam. "
