Muitas vezes acredita-se que a estrutura de vidro de um material imita seu líquido correspondente. O poliamorfismo entre os gelos tem sido usado como um guia para elucidar as propriedades da água líquida. Mas quantas formas de gelo amorfo existem? Nós entendemos como o gelo cristalino de alta pressão metaestável evolui para a forma de baixa densidade termicamente estável?

Uma equipe de pesquisa internacional liderada por Chuanlong Lin e Wenge Yang da HPSTAR e John S. Tse da Universidade de Saskatchewan revelou um mecanismo de transformação de várias etapas usando difração de raios X síncrotron in situ de última geração resolvida no tempo. Uma via cinética dependente da temperatura / tempo com três transições distintas foi identificada na evolução estrutural de gelo cristalino metaestável (gelo VII ou gelo VIII) para o gelo termodinamicamente estável I. Esses processos intermediários competem entre si. O resultado final é uma justaposição desses processos. O trabalho é publicado em PNAS .

A água desempenha um papel vital na origem da vida na Terra. Na fase líquida, ele exibe muitas propriedades incomuns. Na fase sólida, O gelo comum também exibe diversas transições de fase em alta pressão. Muitos estudos teóricos e experimentais foram dedicados à compreensão dos mecanismos de interconversão subjacentes. Até aqui, a maioria dos experimentos tem sido medições ex situ em amostras recuperadas e carecem de informações detalhadas sobre a evolução estrutural que acompanha a transformação. Estudos anteriores foram prejudicados por dificuldades técnicas no monitoramento da rápida mudança estrutural em uma ampla faixa de pressão e temperatura.

Em 2017, Lin e seus colegas superaram o desafio experimental. Uma série de estudos foi realizada para investigar as transições de gelo, combinando difração de raios-X resolvida no tempo in situ, e controle remoto de pressão com diferentes taxas de rampa em um criostato de baixa temperatura. Esta capacidade permitiu a supressão de transições cristalino-cristalinas termicamente acionadas [ PNAS 115, 2010-2015 (2018)]. Foram obtidos importantes insights sobre a complexidade das transformações poliamorfas, tal como a amorfização em duas etapas cineticamente controlada em gelo Ih [Phys. Rev. Lett. 119, 135701 (2017)] e a aventura de sucesso na terra de ninguém [Phys. Rev. Lett. 121, 225703 (2018)].

Agora, eles tentam responder qual é exatamente a natureza dos processos de transformação de fase amorfa-amorfa? Usando as técnicas desenvolvidas recentemente, eles exploraram o processo de "espelho", ou seja, transformação reversa de um gelo cristalino de alta densidade metaestável (isto é, gelo VII ou gelo VIII) para o gelo estável ambiente I. Eles identificaram as vias cinéticas dependentes de temperatura / tempo e caracterizaram a interação / competição entre a transição de alta densidade amorfa (HDA) -baixa densidade amorfa (LDA) e recristalização. Ao contrário do gelo VII (ou gelo VIII) —LDA — sequências de transformação de gelo I relatadas anteriormente, medições resolvidas no tempo mostram um processo de três etapas:transformação inicial de gelo VII em HDA, seguido por uma transição HDA-LDA, e então a cristalização de LDA em gelo I. Tanto a amorfização de gelo VII quanto a transição de HDA para LDA mostram mecanismos de ativação térmica distintos. Significativamente, ambos os processos exibem o comportamento de Arrhenius com um tempo de duração dependente da temperatura (τ) e uma temperatura de 'transição' em torno de 110-115 K.

Cálculos de dinâmica molecular em grande escala também apóiam seus achados experimentais. Além disso, mostra que a transformação de HDA em LDA é contínua com uma grande diferença de densidade e envolve deslocamentos substanciais de água na escala nanométrica. Este estudo apresenta uma nova perspectiva sobre a metaestabilidade e complexidades na modelagem de vias cinéticas de transição de gelo.