Uma nova pesquisa envolvendo cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) mostra que a água pode permanecer líquida em um estado metaestável durante a transição do líquido para uma forma densa de gelo em pressões mais altas do que as medidas anteriormente.

Água em condições extremas atraiu atenção recente por causa de seu diagrama de fase complexo, incluindo fases de gelo superiônico com propriedades exóticas que existem em altas pressões e densidades. A data, 20 fases únicas de gelo cristalino foram encontradas naturalmente na Terra ou em laboratório. A água também exibe fenômenos metaestáveis ​​bizarros quando comprimida ou resfriada muito rapidamente, que atraíram o interesse de físicos em todo o mundo por muitos anos.

"Se a água for comprimida muito rapidamente, ele permanecerá líquido em um estado metaestável até finalmente cristalizar em gelo VII a uma pressão mais alta do que o esperado, "disse Michelle Marshall, um cientista pesquisador do Laboratório de Laser Energética (LLE) da Universidade de Rochester, um ex-pós-doutorado do LLNL e autor principal do estudo publicado em Cartas de revisão física .

Gelo VII é o polimorfo estável da água à temperatura ambiente e a pressões superiores a ∼2 GPa (mais de 19, 000 atmosferas]. Recentemente, O gelo VII foi encontrado naturalmente na Terra pela primeira vez como inclusões em diamantes com origem nas profundezas do manto. Pode existir dentro das luas geladas de Júpiter e em mundos aquáticos além do nosso sistema solar.

A nova pesquisa mostrou como a água pode permanecer líquida em um estado metaestável ao passar pela transição líquido-gelo-VII a pressões mais altas do que as medidas anteriormente. O trabalho experimental anterior na instalação Z gigante de energia pulsada mostrou que a água comprimida se transforma em gelo VII a 7 GPa (69, 000 atmosferas) quando a água é comprimida em rampa ao longo de centenas de nanossegundos. Em vez disso, os novos experimentos passaram a usar lasers de alta potência nas Instalações de Laser Omega para comprimir água em escalas de tempo ainda mais curtas (nanossegundos).

Assim como no trabalho LLNL anterior em ouro (Au) e platina (Pt), a coisa mais difícil é comprimir a água suavemente o suficiente para evitar a formação de uma onda de choque que arruinaria o experimento (ou seja, realizar uma compressão de rampa sem choque). Porque a água é muito mais compressível do que metais como Au e Pt, a criação de uma onda de compressão de rampa em uma camada de água da espessura de um micrômetro requer o aumento da carga de pressão em uma taxa muito mais lenta.

"Mesmo que as pressões que alcançamos pareçam muito modestas em comparação com outros experimentos de compressão dinâmica ultrarrápida a laser, esses experimentos extremamente difíceis estão realmente na fronteira do que podemos fazer com lasers gigantes, e esse foi um desafio emocionante, "disse o cientista e co-autor do LLNL Marius Millot.

Os novos dados revelam que a água pode permanecer líquida por pelo menos 8-9 GPa (79, 000-89, 000 atmosferas) antes de cristalizar em gelo VII:a pressão de congelamento aumenta com a taxa de compressão.

"Isso significa que a água pode permanecer líquida a pressões pelo menos 3,5 vezes maiores do que o esperado com base no diagrama de fase de equilíbrio, "Marshall disse." É realmente legal pensar que estamos comprimindo tão rápido que a água não tem tempo de cristalizar, então permanece líquido. "

"Estamos na fronteira da ciência ultrarrápida experimental, "Marshall disse, "e foi ótimo colaborar com nossos colegas de teoria e simulação para obter uma imagem mais detalhada do que estava acontecendo. É notável que os avanços teóricos e numéricos mais recentes agora fornecem uma compreensão detalhada dos fenômenos observados. Isso pode ter implicações para nossa compreensão geral das transformações de fase em condições extremas. "

Este trabalho é parte de um esforço mais amplo para entender a cinética de transição de fase em materiais comprimidos dinamicamente. A natureza ubíqua da água e seu diagrama de fase complexo tornam a transição de fase líquido-gelo-VII um banco de ensaio interessante para modelagem cinética de transição de fase. SAMSA, um modelo de cinética desenvolvido por LLNL, fornece uma compreensão detalhada dos resultados experimentais, contando com a imagem fundamentalmente simples de nucleação homogênea usando a teoria de nucleação clássica.

Em termos gerais, este trabalho ajuda a melhorar os modelos de materiais e compreensão, o que poderia ter implicações interessantes para outras áreas-chave de pesquisa no Laboratório, como manufatura avançada e impressão 3D. Estados metaestáveis ​​e cristalização complexa de água também são fundamentais para a ciência atmosférica e, portanto, para a segurança climática.