Quão pequena é a menor partícula de gelo possível? Não é um floco de neve, medindo em uma fração colossal de uma polegada. De acordo com uma nova pesquisa publicada em Proceedings of the National Academy of Sciences , a menor nanogotícula de água na qual o gelo pode se formar tem apenas 90 moléculas de água - um décimo do tamanho do menor vírus. Em pequenas escalas, de acordo com a professora de química da Universidade de Utah e co-autora do estudo Valeria Molinero, a transição entre o gelo e a água fica um pouco encrespada.

“Quando você toma um copo de água com gelo, você não vê a água no copo virar gelo e líquido em função do tempo, "diz ela. Nas menores nanogotículas de água, ela diz, é exatamente isso o que acontece.

Por que "gelo I" é importante

A transição entre água e gelo está entre as transformações mais importantes entre as fases (sólidos, líquidos e gases) em nosso planeta, onde tem efeitos únicos em nosso clima, ao mesmo tempo que regula a viabilidade da vida. Compreendendo as condições que levam à formação de gelo, então, é uma busca ativa em áreas que abrangem ciências ambientais e da terra, física, química, biologia e engenharia.

O gelo existe na Terra quase exclusivamente na estrutura de cristal hexagonal altamente ordenada conhecida como "gelo I". Em nossa atmosfera, pequenos aglomerados de água se formam e, subsequentemente, congelam, semeando cristais maiores e, eventualmente, nuvens. Devido aos efeitos termodinâmicos concorrentes, Contudo, abaixo de um certo diâmetro, esses aglomerados de água não podem formar gelo termodinamicamente estável I. A faixa de tamanho exata dos aglomerados de água capazes de formar gelo estável I foi investigada por meio de experimentos e teoria durante anos, com as estimativas mais recentes estreitando a faixa de até 90 moléculas de água até 400.

Superresfriamento:Baixo e lento

No passado, uma barreira importante no estudo experimental desse limite tem sido o resfriamento dos aglomerados de líquidos super-resfriados, lento o suficiente para permitir que a rede de gelo I se forme adequadamente. O resfriamento muito rápido cria aglomerados de gelo amorfo, uma fase menos ordenada. Se os aglomerados não forem resfriados lenta e uniformemente, o resultado é uma combinação não natural de fases de gelo. As simulações de computador da formação de gelo também enfrentam seus próprios desafios na replicação da física em nanoescala e da formação de gelo.

No novo estudo, pesquisadores da Universidade de Utah, a Universidade da Califórnia, San Diego, a Universität Göttingen, os Institutos Max Planck para Pesquisa e Dinâmica do Sistema Solar e Auto-Organização em Göttingen combinam avanços recentes em simulação e experimento para desvendar a interação entre as restrições que atuam na transição gelo-líquido em aglomerados de tamanho nanométrico.

Para superar o problema de resfriamento, a equipe de Göttingen usou um feixe molecular que gera aglomerados de um tamanho desejado, inicialmente expandindo uma mistura de água e argônio através de um bico de aproximadamente 60 micrômetros de diâmetro. O feixe resultante é então canalizado através de três zonas distintas, onde a taxa de resfriamento é reduzida a fim de controlar a formação dos aglomerados, atingindo uma temperatura baixa de 150 K (-123 ° C ou -189 ° F). Modelos de computador de água desenvolvidos pelas equipes de San Diego e Utah foram usados ​​para simular as propriedades das nanogotículas.

O fim do gelo

Usando assinaturas espectroscópicas infravermelhas para monitorar a transição para o gelo I nos aglomerados, os pesquisadores encontraram um acordo promissor entre as abordagens experimental e teórica. Os resultados fornecem fortes evidências de que o "fim do gelo" ocorre quando os aglomerados têm cerca de 90 moléculas de água. Neste tamanho, os aglomerados têm apenas cerca de 2 nanômetros de diâmetro, ou aproximadamente um milhão de vezes menor do que um floco de neve típico.

Francesco Paesani da Universidade da Califórnia, San Diego explica, “Este trabalho conecta de forma consistente conceitos experimentais e teóricos para o estudo microscópico das propriedades da água das últimas três décadas, que agora pode ser visto em uma perspectiva comum. "

Oscilação inesperada

Inesperadamente, os pesquisadores descobriram, tanto na simulação quanto no experimento, que a coexistência de gelo se comporta de maneira diferente em aglomerados de 90 a 150 moléculas de água. transição de derretimento bem definida que experimentamos com gelo macroscópico (em grande escala) e água ocorrendo a 0 ° C. Os aglomerados foram encontrados para fazer a transição ao longo de uma faixa de temperaturas e oscilar no tempo entre os estados líquido e de gelo, um efeito de seu pequeno tamanho que foi previsto pela primeira vez há três décadas, mas faltou evidência experimental até agora.

Thomas Zeuch, da Universität Göttingen, observa, "Os sistemas macroscópicos não têm mecanismo análogo; a água é líquida ou sólida. Este comportamento oscilante parece exclusivo de aglomerados neste tamanho e faixa de temperatura."

"Não há nada como essas oscilações em nossa experiência de coexistência de fase no mundo macroscópico!" Molinero acrescenta. Em um copo de água, ela diz, tanto o gelo quanto a água são estáveis ​​e podem coexistir, independentemente do tamanho dos pedaços de gelo. Mas em uma nanogotícula que contém líquido e gelo, a maioria das moléculas de água estaria na interface entre o gelo e a água - portanto, todo o aglomerado de duas fases torna-se instável e oscila entre um sólido e um líquido.

Quando o gelo fica estranho

Aglomerados de água dos tamanhos e temperaturas no experimento são comuns em objetos interestelares e em atmosferas planetárias, incluindo o nosso, Molinero diz. Eles também existem na mesosfera, uma camada atmosférica acima da estratosfera.

“Eles também podem existir como bolsões de água na matriz de um material, incluindo em cavidades de proteínas, " ela diz.

Se as transições oscilatórias pudessem ser controladas, Molinero diz, eles poderiam formar a base de uma nanoválvula que permite a passagem de materiais quando um líquido e interrompe o fluxo quando um sólido.

Os resultados vão além do gelo e da água. Molinero diz que os fenômenos de pequena escala deveriam acontecer para qualquer substância nas mesmas escalas. "Nesse sentido, " ela diz, "nosso trabalho vai além da água e olha de forma mais geral para a coda de uma transição de fase, como ele se transforma de agudo para oscilatório e então as próprias fases desaparecem e o sistema se comporta como uma grande molécula. "