Um novo estudo desafia a noção de que a estrutura atômica do vidro é indistinguível da de um líquido - pelo menos para um certo tipo de vidro chamado "gelo amorfo" que se forma quando a água é resfriada a temperaturas muito baixas.

No estudo, pesquisadores da Princeton University e da City University of New York usaram simulações de computador para mostrar que as moléculas de água no gelo amorfo estão organizadas em uma ordem não detectada anteriormente. que o líquido original não continha. A descoberta, publicado em 29 de setembro na revista Cartas de revisão física , pode ajudar a explicar a curiosidade da água, propriedades vitais. Também desafia a própria definição do que significa ser um copo.

Os vidros são normalmente feitos por meio do resfriamento de um líquido rapidamente, e, de acordo com o entendimento atual, um copo herda a ordem que estava presente no líquido original. No caso do gelo amorfo, Contudo, conforme a água líquida esfria, surge um novo e ordenado arranjo de moléculas.

"De acordo com nossos resultados, esses tipos de vidro não são simplesmente líquidos congelados - essa imagem não se sustenta mais, "disse Fausto Martelli, pesquisador associado do Departamento de Química de Princeton. "Estamos essencialmente dizendo que uma noção na qual os cientistas acreditaram por muitos anos está parcialmente errada."

Antes deste estudo, pesquisadores sabiam que o rápido congelamento da água, que pode ocorrer em temperaturas extremamente frias encontradas no espaço sideral, leva à formação de um material muito diferente do gelo da experiência cotidiana. Este material, conhecido como gelo amorfo, falta a estrutura cristalina altamente ordenada do gelo regular, levando os cientistas a categorizá-lo como um vidro - um líquido cujo movimento diminuiu para um ritmo glacial. Gelos amorfos não são comuns na Terra, mas eles são a forma de água mais abundante do universo.

O novo estudo descobriu que as moléculas nesses gelos amorfos se organizam em um padrão interno não detectado anteriormente. Esse padrão, conhecido como hiperuniformidade desordenada, é definido como ordem em grandes distâncias espaciais, mesmo quando não há ordem em distâncias curtas. Materiais hiperuniformes desordenados caem em algum lugar entre um cristal, que é altamente organizado em longas distâncias, e um líquido, que só é pedido em distâncias curtas.

"A existência dessas correlações estruturais em grande escala não foi totalmente avaliada, e isso é realmente o que queríamos abordar neste estudo, "disse o co-autor do estudo Salvatore Torquato, um professor de química que, com o cientista sênior de Princeton, Frank Stillinger, identificou pela primeira vez a hiperuniformidade há mais de uma década ( Revisão Física E , 2003). “As informações presentes nesses sistemas são bastante contundentes, e leva a percepções completamente novas sobre os materiais, ", disse ele. Ele e seus colegas identificaram desde então a hiperuniformidade em vários lugares, incluindo o arranjo das células no olho de uma galinha ( Revisão Física E , 2014).

Além de Martelli e Torquato, os autores do estudo incluíram Roberto Car, Professor Ralph W. Dornte de Química de Princeton, e Nicolas Giovambattista, professor associado do Brooklyn College-The City University of New York. Torquato e Car são associados ao Instituto de Ciência e Tecnologia de Materiais de Princeton.

Para explorar a estrutura interna de gelos amorfos, Martelli usou um modelo de computador que rastreia o comportamento de mais de 8, 000 moléculas de água para simular o que aconteceria se ele resfriasse a água até cerca de 80 graus Kelvin (cerca de -316 graus Fahrenheit). Nesta temperatura, as moléculas de água são tão privadas de calor que não podem mais se mover de um lugar para outro, nem girar no lugar. Nessa temperatura e abaixo, os pesquisadores observaram o padrão hiperuniforme emergir nos dados da simulação de computador.

"Não estamos acostumados a procurar ordem em escalas de comprimento tão grandes, "Martelli disse." No entanto, a matemática nos permite lançar luz sobre padrões que nossos olhos não são capazes de ver. "

As simulações exigiram meses em computadores de pesquisa de alto desempenho, incluindo os clusters TIGRESS da Princeton University através do Princeton Institute for Computational Science and Engineering.

A simulação permitiu aos pesquisadores fazer perguntas sobre a natureza da água, que tem muitos comportamentos anômalos que o tornam especialmente adequado para sustentar a vida. Uma dessas anomalias é que a forma cristalina do gelo é menos densa do que a água líquida, permitindo que o gelo flutue, o que, por sua vez, permite a existência de vida sob o gelo em lagos e oceanos.

Uma possível explicação para as anomalias da água é que, em temperaturas muito frias, a água pode vir em duas fases líquidas - uma mais densa do que a outra - em vez de apenas no estado líquido que achamos familiar. Detectar a transição da água entre as formas de alta densidade e baixa densidade provou ser difícil devido a desafios técnicos.

O presente estudo fornece suporte indireto para a existência das duas formas, pelo menos em simulações de computador. Giovambattista simulou a aplicação de alta pressão ao modelo e observou que a pressão convertia a forma de gelo amorfo de baixa densidade em uma forma de alta densidade. A transição entre as duas formas de gelo amorfo é consistente com a existência de duas formas líquidas de água.

Compreender a ordem de longo alcance presente em materiais amorfos é uma área ativa de estudo porque o aproveitamento da hiperuniformidade pode levar a aplicações práticas. A hiperuniformidade presente no silício amorfo pode possibilitar novas maneiras de ajustar as propriedades eletrônicas. A capacidade de manipular a ordem hiperuniforme de longo alcance de um material pode ajudar os cientistas a construir cerâmicas mais fortes ou vidros mais duradouros.

Gelados amorfos podem ser produzidos em ambientes de laboratório, Martelli disse, e pode ser possível encontrar evidências de hiperuniformidade nesses experimentos.