Uma substância fascinante com propriedades únicas, o gelo intrigou os humanos desde tempos imemoriais. Ao contrário da maioria dos outros materiais, gelo em temperatura muito baixa não é tão ordenado quanto poderia ser. Uma colaboração entre a Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), o Centro Internacional de Física Teórica Abdus Salam (ICTP), o Instituto de Física Rosário (IFIR-UNR), com o apoio do Istituto Officina dei Materiali do Conselho Nacional de Pesquisa da Itália (CNR-IOM), fez novos avanços teóricos sobre as razões pelas quais isso acontece e sobre a maneira como parte da ordem que faltava pode ser recuperada. Nesse estado ordenado, a equipe de cientistas descreveu uma propriedade relativamente obscura, mas fundamental do gelo de temperatura muito baixa:a ferroeletricidade. Os resultados, publicado em PNAS , tendem a se estender a superfícies de gelo, uma possibilidade que pode ser relevante para a aglomeração de partículas de gelo no espaço interestelar.

"Em um pedaço de gelo idealmente ordenado, os átomos de hidrogênio de cada molécula de água devem apontar na mesma direção, como soldados em um pelotão olhando para a frente deles, "explica Alessandro Laio, físico do SISSA e do ICTP. "Se fosse esse o caso, o gelo exibiria uma polarização elétrica macroscópica - seria ferroelétrico. Em vez de, moléculas de água no gelo, mesmo em temperatura muito baixa, comportem-se como soldados indisciplinados, e todos olham em direções diferentes. "

Este comportamento anômalo, descoberto experimentalmente na década de 1930, foi imediatamente explicado por Linus Pauling:a falta de disciplina é um efeito da restrição da 'regra do gelo' - cada átomo de oxigênio deve, a qualquer momento, possuir dois e apenas dois prótons para torná-lo H ₂ O. A difícil cinética criada por essa restrição faz com que o processo de pedido se torne infinitamente lento, como em um pelotão onde cada soldado tinha quatro vizinhos e tinha que manter as duas mãos nos ombros de dois deles.

"Se não fossem impurezas ou defeitos, que acabou desempenhando um papel revelador, ainda hoje não se sabe se a ordem de prótons e ferroeletricidade do gelo cristalino a granel é uma possibilidade real ou uma invenção da imaginação, uma vez que nem os experimentos nem as simulações poderiam superar a desaceleração cinética gerada pela regra do gelo, "destaca Erio Tosatti, físico da SISSA, ICTP e CNR-IOM Democritos.

Impurezas, como um KOH substituindo H ₂ O, são, de fato, conhecidos por permitir que o processo de pedido nucleado e o gelo se torne ordenado e ferroelétrico em temperatura muito baixa, embora apenas parcial e lentamente. Mais uma vez, a 'regra do gelo' era suspeita de estar por trás da lentidão deste processo, mas não se sabia exatamente como isso funcionava.

Junto com Jorge Lasave e Sergio Koval do IFIR-UNR na Argentina, ambos membros associados do ICTP, Alessandro Laio e Erio Tosatti desenharam um modelo teórico e uma estratégia para explicar o comportamento do gelo puro e dopado.

"De acordo com este modelo, "explicam os cientistas, "uma vez que uma impureza é introduzida dentro de um estado inicial desordenado de baixa temperatura de desequilíbrio, ele atua como uma semente para a fase ordenada, mas de uma maneira peculiar:nem todos os 'soldados' ao redor da impureza começam a olhar na direção correta, mas apenas aqueles na frente ou atrás da impureza. Assim, no final do processo, apenas uma fileira de soldados dentro do pelotão será ordenada. "Este processo altamente atípico tem muitas das características que podem explicar o início lento e incompleto da ordem ferroelétrica em gelo dopado real.

"Embora o estudo se restrinja, por enquanto, ao gelo a granel, "Tosatti e Laio concluem, "o mecanismo destacado provavelmente se estenderá às superfícies de gelo, onde cadeias de prótons ordenados podem nuclear em baixas temperaturas, explicando uma pequena quantidade conhecida de polarização ferroelétrica local, um fenômeno também mencionado como possivelmente relevante para a aglomeração de partículas de gelo no espaço interestelar. "