p O gelo que misturamos em nossas bebidas congeladas é um composto complicado, crivado de estranhas inconsistências moleculares, os cientistas ainda lutam para entender. Explorar a física por trás da estranha microestrutura da água gelada pode nos ajudar a aprender mais sobre outros materiais avançados aparentemente não relacionados e seus estados quânticos. p É por isso que Jonathan Morris, um professor assistente de física na Universidade Xavier, e Joseph Lanier, um estudante pesquisador de graduação, estão trabalhando com a assistente de pesquisa de pós-doutorado Anjana Samarakoon no Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) para sondar um único cristal de água congelada. Especificamente, a equipe quer aprender mais sobre defeitos iônicos, anomalias moleculares misteriosas que às vezes aparecem na estrutura cristalina do gelo. Se eles puderem descobrir quanta energia é necessária para produzir esses defeitos iônicos, eles podem ser capazes de usar essa informação para criar modelos para a compreensão de inconsistências semelhantes encontradas nas estruturas moleculares de outros materiais.

p "Queremos estabelecer uma melhor compreensão da física fundamental que dita o comportamento do gelo de água, e então usar esse conhecimento para aprender mais sobre outros compostos e estados da matéria, "disse Morris.

p Geralmente, o gelo se comporta de acordo com um conjunto de diretrizes chamadas Regras de Bernal-Fowler (também conhecidas como Regras do Gelo), que geralmente pode prever como as moléculas na água congelada se comportarão. Por exemplo, as Regras de Bernal-Fowler afirmam que entre quaisquer dois átomos de oxigênio, haverá um átomo de hidrogênio, e em torno de qualquer átomo de oxigênio, haverá dois átomos de hidrogênio. Mas o gelo real nem sempre é tão organizado. As vezes, moléculas de água no gelo se comportam mal, ganhando ou perdendo átomos de hidrogênio para se tornarem íons únicos, diferentes de qualquer uma das moléculas de água vizinhas.

p "Em vez de dois hidrogênios próximos a um átomo de oxigênio individual, você pode acabar com três, que cria um H ₃ O ⁺ íon, ou você pode acabar com apenas um hidrogênio próximo a um oxigênio, que seria um OH ^- íon. Esses defeitos quebram as regras do gelo localmente, e gostaríamos de entender como e por que eles fazem isso, "disse Samarakoon.

p Morris explica que aprender mais sobre esses defeitos iônicos ajudaria os pesquisadores a entender melhor a física fundamental que determina como o gelo derrete e responde a campos elétricos. Ele também pode lançar luz sobre materiais que exibem comportamentos quânticos - como candidatos de spin-gelo quântico - que têm arranjos de spin análogos aos átomos de hidrogênio no gelo de água.

p "Por um lado, estamos realmente interessados ​​em aprender mais sobre o gelo especificamente porque há muito que não sabemos sobre sua microestrutura. Mas também estamos interessados ​​no gelo porque os tipos de inconsistências que vemos em sua estrutura molecular são muito semelhantes aos defeitos que encontramos em outros materiais, incluindo alguns estados quânticos, "disse Morris.

p Para entender melhor esses defeitos no gelo e outros materiais, Morris, Lanier, e Samarakoon usou o Elastic Diffuse Scattering Spectrometer (CORELLI) e o Wide Angular Range Spectrometer (ARCS) na Spallation Neutron Source (SNS) do ORNL para sondar um delicado cristal de óxido de deutério congelado - também conhecido como "gelo de água pesada" - apenas 4 centímetros de comprimento e 8 milímetros de diâmetro.

p "Usamos água pesada, D2O, porque seus átomos de deutério apresentam um nêutron extra em seus núcleos em comparação com o hidrogênio regular, o que torna mais fácil observar com espalhamento de nêutrons do que H ₂ O. E porque a água pesada e a água normal têm estruturas atômicas semelhantes, podemos usar o que aprendemos sobre gelo de água pesada para construir hipóteses sobre gelo de água regular, "disse Morris.

p Colaboradores da Helmholz-Zentrum em Berlim produziram o cristal, o que significava que tinha que ser despachado frio da Alemanha até Oak Ridge. Morris e sua equipe tiveram que tomar precauções especiais para garantir que não derretesse no meio do vôo.

p “Levar aquela amostra de gelo de deutério até Oak Ridge foi bastante desafiador. Tivemos que mantê-la armazenada em um contêiner de gelo seco e despachá-la com um serviço aéreo especial para garantir que não fosse acidentalmente destruída durante a viagem. Estamos muito felizes com o nosso sucesso e com a ajuda de todos no ORNL durante este processo, "disse Morris.

p Os nêutrons são perfeitos para este experimento. Eles são profundamente penetrantes, permitindo que Morris e sua equipe construam um levantamento completo da microestrutura interna do cristal de gelo e rastreiem as assinaturas de energia das moléculas de água congelada que vibram dentro do gelo. O instrumento CORELLI no SNS é especialmente útil para este experimento porque permite que Morris se concentre especificamente em eventos de espalhamento elástico, em que nêutrons são espalhados pelos átomos de uma amostra sem perder ou ganhar qualquer energia. Então, ele pode usar o instrumento ARCS próximo para medir o comportamento dinâmico, que complementa perfeitamente os dados estáticos que ele e sua equipe obtêm da CORELLI.

p "Eventos de espalhamento elástico são realmente importantes para localizar e estudar defeitos iônicos no gelo. SNS é único porque não podemos apenas separar dados de espalhamento elástico de inelástico com CORELLI, mas também podemos verificar esses resultados usando ARCS. Isso torna a realização de nosso experimento muito mais fácil, "disse Morris.

p Morris, Lanier, e Samarakoon esperam que as informações coletadas desses experimentos não apenas ajudem os cientistas a entender melhor o gelo de água, mas também contribuam para uma melhor compreensão de outros materiais.

p "O gelo é um material fascinante, e o que aprendemos sobre seus defeitos iônicos aqui no ORNL pode nos ajudar a fazer uma contribuição significativa para a ciência dos materiais como um todo, "disse Lanier.