As propriedades complexas da água e do gelo não são bem compreendidas, mas uma equipe da UCL e da ISIS Neutron and Muon Source revelou novas informações sobre uma fase do gelo chamada gelo II.

Dado que a água representa 60% de nossos corpos e é uma das moléculas mais abundantes do universo, não é de admirar que a água seja conhecida como a "matriz da vida".

Existem muitas formas diferentes de gelo - todas as quais variam significativamente em relação ao gelo que você encontraria em seu freezer. O gelo assume muitas formas diferentes, dependendo da pressão na qual se desenvolveu.

Conforme a água congela, suas moléculas se reorganizam, e a alta pressão faz com que as moléculas se reorganizem de maneiras diferentes do que normalmente fariam. As muitas fases distintas do gelo podem ser resumidas usando um diagrama de fases, que mostra os estados físicos preferidos da matéria em diferentes temperaturas e pressões.

Pesquisadores da UCL e do Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia (STFC) ISIS Neutron and Muon Source utilizaram difração de nêutrons de alta pressão para investigar o impacto das impurezas de fluoreto de amônio no diagrama de fase da água.

Seus resultados surpreendentes, publicado em Física da Natureza , descobriram que a adição desta impureza causou uma fase particular do gelo, conhecido como gelo II, desaparecer completamente do diagrama de fases da água, enquanto as outras fases não foram afetadas.

As muitas fases diferentes do gelo podem ser agrupadas em um de dois tipos - fases ordenadas por hidrogênio e fases desordenadas por hidrogênio. Nessas diferentes fases, a orientação das moléculas de água é firmemente definida ou desordenada.

Ice II é uma fase de gelo ordenada por hidrogênio que se forma sob condições de alta pressão. Ao contrário de outras fases do gelo, O gelo II permanece termodinamicamente estável e ordenado por hidrogênio até temperaturas muito altas e a origem desse resultado anômalo não é bem compreendida.

Usando difração de nêutrons, o grupo revelou as propriedades muito especiais do gelo II. O difratômetro de nêutrons de alta pressão PEARL na fonte de nêutrons e muons ISIS é otimizado para estudos de difração de até 20 GPa, embora aqui as amostras tenham sido expostas apenas a 0,3 GPa. Mesmo que isso esteja bem abaixo da capacidade total do instrumento, 0,3 GPa ainda é equivalente a 3 toneladas pressionando uma única unha.

Para as medições de difração de nêutrons, as amostras de gelo moído foram colocadas dentro de uma lata de titânio-zircônio, quais nêutrons penetram facilmente. A pressão extrema no PEARL foi gerada usando um compressor de gás preenchido com gás argônio. O PEARL permite que medições de difração de nêutrons de pressão in-situ ocorram, que foram essenciais para esta pesquisa.

"Sem a difração de nêutrons in-situ, não poderíamos ter realizado este estudo. Foi fundamental demonstrar que o gelo II desapareceu na região do diagrama de fase onde normalmente existiria, "disse o Dr. Christoph G. Salzmann (UCL Chemistry).

Além de coletar dados de difração de nêutrons de alta pressão, os pesquisadores também utilizaram métodos computacionais para obter insights muito importantes. Eles descobriram que a dopagem do gelo II com pequenas quantidades de fluoreto de amônio fez com que esta fase particular do gelo desaparecesse completamente, enquanto as fases concorrentes do gelo não foram afetadas. Esta observação permitiu aos pesquisadores inferir informações importantes sobre as propriedades altamente incomuns do gelo II.

"Ao contrário das outras fases, gelo II é topologicamente restrito. Isso significa que as moléculas de água no gelo II interagem entre si a distâncias muito longas. Num sentido, o que quer que aconteça com uma molécula de água em um cristal de gelo II - o efeito é "sentido" por todas as outras moléculas. Em nosso estudo, O gelo II sofre uma perturbação pelo fluoreto de amônio que desestabiliza todo o gelo II e o faz desaparecer, "Dr. Salzmann acrescentou.

O conhecimento deste efeito será importante para qualquer estudo onde o gelo coexiste com outros materiais na natureza, por exemplo, em luas geladas. Além disso, as propriedades especiais do gelo II fornecem uma nova explicação de por que o diagrama de fase da água exibe tantas anomalias, incluindo água líquida. Essas descobertas também podem abrir estudos para novas fases do gelo. Se os dopantes têm a capacidade de suprimir certas fases do gelo, isso sugere que eles também podem induzir a formação de novas fases do gelo.

Interesse na "matriz da vida, "e suas muitas fases de gelo, certamente não mostra nenhum sinal de vacilação. Com difração de nêutrons de alta pressão, permitindo o estudo de ambientes de extrema pressão de uma forma que nenhuma outra técnica pode, provavelmente veremos a equipe de volta às instalações em busca de novas fases de gelo.