p Todo mundo sabe que a água congela a 0 graus C. A vida na Terra seria muito diferente se não fosse assim. Contudo, primo da água, sílica, exibe um comportamento rebelde quando resfriado que há muito intrigava os cientistas. p Ao contrário da água, sílica (SiO ₂ ) não congela facilmente. Quando a sílica líquida esfria, seus átomos não conseguem se organizar em um cristal ordenado. Em vez de, conforme a temperatura diminui, o estado líquido sobrevive muito abaixo da temperatura nominal de congelamento. Este fenômeno é denominado super-resfriamento. Eventualmente, os átomos estão simplesmente presos no lugar onde quer que estejam, preservando a desordem estrutural do líquido. O estado congelado resultante da matéria - mecanicamente sólido, mas microscopicamente semelhante a um líquido - é um vidro.

p A preferência da sílica pela formação de vidro tem consequências importantes, uma vez que está entre os compostos mais abundantes na Terra. Em algumas formas, sílica e água são semelhantes - têm geometrias de coordenação semelhantes com simetria tetraédrica, e ambos exibem uma tendência incomum de se tornarem menos densos abaixo de uma certa temperatura no resfriamento, mas mais fluido na pressurização. Eles até mostram estruturas de cristal análogas quando a sílica pode ser induzida ao congelamento.

p Recentemente, pesquisadores do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio descobriram pistas vitais sobre por que a água e a sílica divergem tão fortemente quando esfriam. Em um estudo publicado em PNAS , suas simulações revelaram a influência do arranjo simétrico local dos átomos no estado líquido na cristalização. Acontece que os átomos se organizam adequadamente na água, mas não na sílica.

p Quando os líquidos esfriam, a ordem surge da aleatoriedade, à medida que os átomos se agrupam em padrões. Do ponto de vista de qualquer átomo individual, uma série de projéteis concêntricos aparecem à medida que seus vizinhos se juntam em volta. Em água e sílica, a primeira camada (em torno de cada átomo de O ou Si, respectivamente) tem forma tetraédrica - um caso de ordenação orientacional, ou "quebra de simetria". A principal diferença é a segunda estrutura de shell. Para água, ainda está organizado corretamente com a ordem de orientação, mas para a sílica, a segunda camada é espalhada aleatoriamente com pouca ordem de orientação.

p "Na água, as estruturas ordenadas localmente são precursoras do gelo; isso é, cristais tetraédricos de H2O, "o co-autor Rui Shi explica." A ordem orientacional, ou quebra de simetria rotacional, no estado líquido explica por que a água congela tão facilmente. Em sílica super-resfriada, Contudo, a falta de ordenação orientacional impede a cristalização, resultando em fácil formação de vidro. Em outras palavras, a simetria rotacional é mais difícil de quebrar na estrutura líquida da sílica, e com menos ordem de orientação. "

p Os pesquisadores explicam essa diferença comparando a ligação entre as duas substâncias. A água consiste em moléculas individuais de H2O, mantidos juntos por fortes ligações covalentes, mas interagindo por meio de ligações de hidrogênio mais fracas. A estrutura molecular estável da água restringe a liberdade dos átomos, resultando em alta ordem de orientação na água. Sílica, Contudo, não tem forma molecular, e os átomos são ligados de forma menos direcional, levando a uma ordem de orientação pobre.

p "Mostramos que as diferenças macroscópicas entre água e sílica se originam no mundo microscópico da ligação, "diz o autor correspondente Hajime Tanaka." Esperamos estender este princípio a outras substâncias, como carbono líquido e silício, que são estruturalmente semelhantes à água e à sílica. O objetivo final é desenvolver uma teoria geral de como os formadores de vidro diferem dos formadores de cristal, que é algo que tem iludido os cientistas até agora. "