A grande ciência origina-se da curiosidade e do trabalho árduo. Nesse caso, tudo começou com um freezer quebrado.

Atsuko Kobayashi (MS '91) e o professor da Caltech Joseph Kirschvink (BS, MS '75) - uma equipe de marido e mulher de pesquisadores que divide seu tempo entre o Japão e os EUA - voltou para sua casa para descobrir que seu freezer havia morrido em algum momento durante sua ausência.

Ao comprar um novo, Kobayashi viu um anúncio de um tipo especial de freezer usando campos magnéticos para manter os alimentos mais frescos, "super-resfriados". Ela não comprou, mas ela queria saber por que o super-resfriamento pode melhorar os alimentos congelados e como os campos magnéticos podem causar o super-resfriamento.

Quando resfriado abaixo de 0 graus Celsius, as moléculas de água começam a formar cristais de gelo onde quer que haja minerais ou outros sólidos suspensos na água - conhecidos como locais de nucleação. Água completamente pura, sem locais de nucleação, pode ser resfriado bem abaixo do ponto de congelamento normal e ainda assim permanecer líquido - um processo denominado super-resfriamento.

O super-resfriamento tem vantagens comerciais. De fato, sem necessariamente conhecer os mecanismos por trás do porquê eles funcionam, Os pescadores japoneses têm usado os freezers controlados magneticamente para transportar peixes por longas distâncias até o mercado. O tratamento visa reduzir o dano celular na carne dos peixes, mantendo o sabor e a textura intactos. O peixe muitas vezes é vendido no mercado competitivo de peixes a preços comparáveis ​​aos da variedade recém-pescada.

"Quando você superresfria a água antes de congelá-la, o gelo resultante não se expande tanto em volume quanto o gelo normal porque assume uma estrutura cristalina diferente. Se você estiver congelando tecidos, que tem água neles, menos expansão significa menos danos às células, "Kobayashi diz. O processo também oferece vantagens científicas. Como um microscopista eletrônico, Kobayashi freqüentemente tem que congelar tecidos biológicos antes de gerar imagens deles. Um de seus principais objetivos tem sido encontrar maneiras de congelar o tecido biológico e, ao mesmo tempo, minimizar os danos causados ​​pela formação de cristais de gelo.

"A questão era, por que os campos magnéticos teriam qualquer efeito sobre se a água não purificada, como a água nas células, poderia ser superesfriado? "pergunta Kobayashi, que é um cientista pesquisador sênior do Earth-Life Science Institute no Tokyo Institute of Technology e visitante em geologia e biologia na Caltech.

Enquanto pesquisava minerais capazes de nucleação de gelo, ela percebeu:a resposta poderia estar na magnetita, um composto natural de ferro e oxigênio que é magnético.

A equipe de pesquisa de Kobayashi e Kirschvink há muito estuda a magnetita. Kobayashi foi o primeiro a conseguir extrair e obter imagens de nanocristais de magnetita biológica no cérebro humano, e Kirschvink, o Professor Nico e Marilyn Van Wingen de Geobiologia da Caltech, passou os últimos 30 anos explorando o papel que a magnetita biológica pode desempenhar na magnetorecepção - a capacidade das criaturas vivas de detectar campos magnéticos

Seu trabalho se baseia na pesquisa de Heinz Lowenstam, um paleoecologista que ingressou na Caltech em 1952. Embora fosse bem conhecido que os animais podiam gerar minerais duros nos dentes e ossos, Lowenstam descobriu em 1962 que os dentes dos chitons (um tipo de molusco marinho) eram revestidos de magnetita. A magnetita é o mineral mais duro que qualquer animal pode produzir, e mais tarde foi descoberto como um precipitado biológico em criaturas como bactérias, abelhas, pássaros, e mamíferos - incluindo humanos.

Kobayashi demonstrou que pequenas quantidades de partículas de magnetita adicionadas à água têm um grande efeito em sua temperatura de congelamento. Um artigo anterior da equipe de pesquisa Kobayashi / Kirschvink mostrou que algumas partes por bilhão de magnetita adicionada à água ultrapura - água sem quaisquer outros locais de nucleação - evitou o super-resfriamento quase inteiramente. Indo mais fundo, eles descobriram que o gelo cristaliza facilmente na superfície das partículas de magnetita em temperaturas pouco abaixo de 0 graus Celsius.

Raciocinando que qualquer ligeira perturbação na superfície da magnetita deve interromper este processo e evitar o congelamento, em seguida, eles projetaram uma série de experimentos usando campos magnéticos giratórios cerca de 20 vezes mais fortes do que o campo magnético da Terra - forte o suficiente para sacudir as moléculas de magnetita. Ao manter as moléculas de magnetita em movimento constante, eles impediram a formação de gelo em sua superfície e foram capazes de super-resfriar a água impregnada com magnetita quase tão bem quanto a água ultrapura. Isso funcionou até em dois tipos representativos de tecido:aipo (para vegetais) e músculo de vaca (para carnes). Ao sacudir as moléculas de magnetita nas células dos tecidos vegetais e animais, eles foram capazes de super-resfriá-los e, finalmente, congelá-los com menos danos aos tecidos.

"A descoberta valida os pescadores japoneses que vêm usando essa tecnologia há anos e confirma a magnetita como a causa subjacente do porquê de formar gelo danoso nos tecidos, "diz Kobayashi. Também sugere uma maneira de ajudar a lidar com a fome no mundo, ela diz. Estimativas recentes do National Resources Defense Council indicam que 40 por cento do suprimento de comida humana é perdido entre a fazenda e a mesa de jantar, e que os danos causados ​​pelo gelo e pelo congelador são responsáveis ​​por uma parte dessa perda. "Se esse dano pudesse ser mitigado pela aplicação controlada de campos magnéticos, mais comida pode chegar às mesas em todo o mundo, reduzindo o combustível, fertilizante, e a água necessária para a agricultura moderna, "Kobayashi diz." Entender a razão pela qual o gelo se forma danificando nos tecidos quando eles congelam também pode levar a técnicas aprimoradas de armazenamento criogênico de ovos vivos, esperma, embriões, e talvez até pequenos animais. "

Para Kirschvink, essa descoberta é apenas o começo. A magnetita pode ser a principal causa da nucleação do gelo na natureza, ele diz. "Os cientistas do clima vêm tentando identificar a origem da nucleação do gelo há décadas para que possamos melhorar os modelos de circulação atmosférica, semeadura de nuvens.

O estudo, intitulado "Controle magnético de nucleação heterogênea de gelo com nanofase magnetita:implicações biofísicas e agrícolas, "aparece online antes da publicação no Proceedings of the National Academy of Sciences em 7 de maio.