Por meio de um experimento projetado para criar um estado superfrio da água, cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia usaram o espalhamento de nêutrons para descobrir um caminho para a formação inesperada de denso, fases cristalinas de gelo que se acredita existirem além dos limites da Terra.

Observação dessas fases de gelo cristalino em particular, conhecido como gelo IX, gelo XV e gelo VIII, desafia as teorias aceitas sobre água super-resfriada e amorfa, ou não cristalino, gelo. As descobertas dos pesquisadores, relatado no jornal Natureza , também levará a uma melhor compreensão básica do gelo e suas várias fases encontradas em outros planetas e luas e em outras partes do espaço.

"O hidrogênio e o oxigênio estão entre os elementos mais abundantes do universo, e o composto molecular mais simples dos dois, H ₂ O, é comum, "disse Chris Tulk, Cientista de espalhamento de nêutrons de ORNL e autor principal. "Na verdade, uma teoria popular sugere que a maior parte da água da Terra foi trazida para cá através de colisões com cometas gelados. "

Na terra, quando as moléculas de água atingem zero graus Celsius, eles entram em um estado de energia inferior e se estabelecem em uma rede cristalina hexagonal. Esta forma congelada é denotada como gelo Ih, a fase mais comum da água que pode ser encontrada em freezers domésticos ou em pistas de patinação.

Ice IX, gelo XV e gelo VIII são três de pelo menos 17 fases de gelo realizadas quando as moléculas se reorganizam em uma estrutura cristalina estável em temperaturas extremamente baixas e pressões muito altas, condições que não ocorrem naturalmente na Terra.

"À medida que o gelo muda de fase, é semelhante à água passando de um gás para um líquido para um sólido, exceto em baixas temperaturas e alta pressão - o gelo se transforma entre várias formas sólidas diferentes, "Tulk disse.

Cada fase de gelo conhecida é caracterizada por sua estrutura cristalina única dentro de sua faixa de estabilidade de pressão-temperatura, onde as moléculas atingem o equilíbrio e as moléculas de água exibem um padrão tridimensional regular, e a estrutura torna-se estável.

Inicialmente, Tulk e colegas do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá e da Universidade da Califórnia em Los Angeles estavam explorando a natureza estrutural do gelo amorfo - um estado de gelo que se forma sem uma estrutura cristalina ordenada - à medida que se recristaliza a pressões ainda mais altas.

Para fazer gelo amorfo, os cientistas congelam água em um dispositivo de alta pressão que é resfriado a 173 graus Celsius negativos e pressurizado a aproximadamente 10, 000 atmosferas, ou 147, 000 libras por polegada quadrada (pneus de carro têm pressão de cerca de 32 libras por polegada quadrada).

"Acredita-se que esse tipo de gelo amorfo esteja relacionado à água líquida, e compreender que esse link era o objetivo original deste estudo, "disse Tulk.

Na Fonte de Nêutrons de Espalação de ORNL, a equipe congelou uma esfera de três milímetros, ou cerca de meia gota, de água deuterada, que tem um nêutron adicional no núcleo do hidrogênio necessário para a análise de espalhamento de nêutrons. Então, eles programaram os Nêutrons de Espalação e Pressão, ou SNAP, difratômetro a menos 173 graus C. O instrumento aumentou a pressão incrementalmente a cada duas horas até 411, 000 libras por polegada quadrada, ou cerca de 28, 000 atmosferas enquanto coleta dados de espalhamento de nêutrons entre cada aumento de pressão.

"Uma vez que alcançamos o gelo amorfo, planejamos aumentar a temperatura e a pressão e observar a ordem molecular local à medida que o gelo amorfo 'derrete' em um líquido super-resfriado e depois recristaliza, "Tulk disse. No entanto, depois de analisar os dados, eles ficaram surpresos ao saber que não haviam criado gelo amorfo, mas sim uma sequência de transformações cristalinas através de quatro fases de gelo com densidade cada vez maior:de gelo Ih a gelo IX a gelo XV a gelo XIII. Não havia nenhuma evidência de gelo amorfo.

"Eu fiz muitas dessas amostras sempre comprimindo gelo em baixa temperatura, "disse o co-autor Dennis Klug do National Research Council of Canada, o laboratório que originalmente descobriu a amorfização induzida por pressão do gelo em 1984. "Eu nunca tinha visto esse caminho pressão-temperatura resultar em uma série de formas cristalinas como esta."

"Se os dados de nosso experimento fossem verdadeiros, significaria que o gelo amorfo não está relacionado à água líquida, mas sim uma transformação interrompida entre duas fases cristalinas, um grande desvio da teoria amplamente aceita, "Klug acrescentou.

Inicialmente, a equipe achou que sua observação era o resultado de uma amostra contaminada.

Mais três experimentos com um novo, amostras cuidadosamente manuseadas no SNAP produziram resultados idênticos, reconfirmar a sequência de transformação estrutural sem formação de gelo amorfo.

A chave foi a lenta taxa de aumento de pressão e coleta de dados a uma pressão mais baixa que permitiu que a estrutura de gelo relaxasse e se tornasse a forma estável de gelo IX. Experimentos anteriores passaram rapidamente pela estrutura IX do gelo sem relaxamento, isso resultou na fase amorfa.

Por 35 anos, cientistas têm pesquisado as propriedades da água superfria e procurando o que é conhecido como o segundo ponto crítico, que está enterrado nas fases de gelo sólido. Mas esses resultados questionam sua própria existência. "A relação entre gelo amorfo induzido por pressão e água está agora em dúvida, e o segundo ponto crítico pode nem mesmo existir, "Tulk disse.

"Os resultados deste artigo formarão a base da análise de futuros estudos de fases amorfas do gelo durante os próximos experimentos feitos no SNS, " ele adicionou.

Co-autores do estudo intitulado, "Ausência de formas amorfas quando o gelo é comprimido a baixa temperatura, "incluiu Chris A. Tulk e Jamie J. Molaison do ORNL; Adam Makhluf e Craig E. Manning da UCLA; e Dennis D. Klug do NRC do Canadá.