Os experimentos de compressão permitem que a água líquida seja conduzida a um estado extremamente sub-resfriado e nuclear um polimorfo de alta pressão conhecido como gelo VII. O trabalho teórico no LLNL revelou o detalhe da cinética de nucleação e crescimento deste processo de solidificação. Acredita-se que esta fase única de gelo exista perto do núcleo dos planetas do "mundo do oceano", recentemente detectado por observação. Crédito:Laboratório Nacional Lawrence Livermore
Uma equipe de teóricos do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) resolveu um quebra-cabeça de longa data na nucleação de uma fase de alta pressão do gelo conhecida como gelo VII, que se acredita existir perto do núcleo dos planetas do "mundo oceânico" recentemente detectados fora do sistema solar, e recentemente foi descoberto que existe dentro do manto da Terra. As descobertas são descritas em um artigo publicado hoje pela Cartas de revisão física .
Descobriu-se que a água congela em gelo VII em experimentos de laboratório que usam ondas de choque ou rampa para comprimir a água líquida a pressões superiores a 100, 000 vezes o encontrado em condições ambientais. Contudo, experimentos conduzidos por diferentes grupos de pesquisa apresentaram modos contraditórios de nucleação. Em um caso, gelo nucleado heterogeneamente (forma-se em uma superfície de material próxima), mas em outros estudos o gelo foi encontrado para nuclear homogêneo (dentro da maior parte da amostra de água) e com uma taxa muito mais rápida de cristalização, com a amostra inteira congelada em uma escala de tempo incrivelmente curta de 10 nanossegundos.
"As condições criadas pela compressão de choque são incomuns, pois produzem uma enorme força motriz para a nucleação do sistema - há considerações únicas que precisam ser levadas em conta para a solidificação em alta pressão, "disse Philip Myint, membro da equipe da Divisão de Física do LLNL e principal autor da pesquisa, que também é apresentada como uma "Sugestão do Editor" na revista. "O líquido é desviado do equilíbrio tão rapidamente que leva mais tempo para que os aglomerados apareçam, um processo conhecido como nucleação transitória. "
Myint e co-autores descobriram que este mecanismo de nucleação transiente tem um efeito profundo na escala de tempo para a cristalização, uma visão que altera a forma como os experimentos de alta pressão podem ser conduzidos no futuro.
A nucleação de um cristal começa com a formação de um aglomerado de átomos, criando uma interface que não é líquida nem sólida. Em água gelada à pressão ambiente, há uma camada de calor correndo à frente da interface líquido-sólido. O novo trabalho teórico sobre a cinética do gelo VII pinta um quadro completamente diferente, com praticamente nenhuma camada de calor à frente da interface.
Ordenação molecular da estrutura do gelo VII. A interface líquido / gelo VII desempenha um papel fundamental no processo de nucleação, resultando em aglomerados críticos de menos de 100 moléculas necessárias para cristalizar a amostra em alta pressão. Crédito:Laboratório Nacional Lawrence Livermore
"Esse desequilíbrio extremo de temperatura entre o líquido e o cristal de gelo VII em crescimento vem do sub-resfriamento extremamente alto que leva o líquido a congelar. Como resultado, não há necessidade de um processo lento de remoção de calor latente e a velocidade da interface é controlada apenas por um ordenamento molecular muito rápido na interface, "disse o co-autor Alex Chernov, um físico LLNL e uma autoridade na área de crescimento de cristais. "Além disso, o processo de nucleação neste sistema é extremamente especial em comparação com o que é geralmente conhecido sobre solidificação, com um único núcleo crítico contendo menos de 100 moléculas de água. Este é um regime em que os limites de nossa compreensão física estão sendo testados. "
O modelo teórico desenvolvido pela equipe (que se baseia em seu trabalho anterior, publicado aqui e aqui), o que explica mais de uma dúzia de experimentos de congelamento de alta pressão, também pode lançar luz sobre áreas de aplicação onde taxas muito altas de nucleação são desejáveis, como na síntese de materiais e tecnologia de armazenamento de memória.
"A compreensão e o controle das correlações dinâmicas de escala cruzada que aparecem na matéria levada longe do equilíbrio é talvez a fronteira de pesquisa mais importante e desconhecida hoje, e o progresso neste campo será a chave para a corrida por tecnologias do século 21, "disse o co-autor Babak Sadigh, um físico do LLNL e especialista em fenômenos de desequilíbrio. "Ao dissecar a termodinâmica e a cinética das interfaces, existem classes inteiramente novas de problemas que podem ser estudados e, em última análise, controlada. Um Santo Graal é projetar máquinas e sistemas dinâmicos autorregulados que podem utilizar dinâmicas dissipativas distantes do equilíbrio para realizar tarefas complexas, como nos sistemas biológicos - o controle da nucleação é um passo neste caminho. "
De acordo com a equipe, o avanço fundamental só foi possível depois de rejeitar as abordagens empíricas que haviam sido adotadas pela comunidade mais ampla da física de choque até recentemente.
"Por mais de uma década, a comunidade de compressão de choque não consegue entender o que está acontecendo no congelamento compressivo da água e sua cinética observada. Eu acho que uma teoria baseada na física para como o gelo VII se solidifica está finalmente aqui, pelo menos para o caso de nucleação homogênea, "disse Jon Belof, líder do projeto de pesquisa cinética em física e desenvolvimento de modelo de engenharia sob o programa de Simulação Avançada e Computação do LLNL e autor correspondente do artigo.
O trabalho teórico futuro terá como foco a melhor compreensão do cenário de nucleação heterogênea, que a equipe descobriu que desempenha um papel mais proeminente em pressões mais baixas. "Esse é o verdadeiro desafio, "Belof disse." Nucleação é um evento raro e, em princípio, basta apenas um único local heterogêneo para começar. "
