Pesquisadores do European XFEL em Schenefeld, perto de Hamburgo, observaram mais de perto a formação da primeira cristalização de núcleos em líquidos super-resfriados. Eles descobriram que a formação começa muito mais tarde do que se supunha anteriormente. As descobertas podem ajudar a compreender melhor a criação de gelo nas nuvens no futuro e a descrever alguns processos dentro da Terra com mais precisão.



Toda criança sabe que a água congela e vira gelo quando fica gelada. Para a água, isso normalmente acontece abaixo de 0°C, a temperatura de fusão da água. Este é um ponto fixo na escala de temperatura Celsius que usamos.

No entanto, a transição da fase líquida para a fase sólida é um processo muito complexo e difícil de estudar experimentalmente em nível atômico. Uma razão para isso é que os cristais são formados aleatoriamente:você não sabe exatamente quando e onde isso acontecerá.

Além disso, um líquido pode permanecer num estado metaestável durante muito tempo:permanece líquido mesmo que na realidade deva congelar e tornar-se sólido. Isto torna extraordinariamente difícil identificar o momento certo para a formação de um cristal e observar o seu crescimento.

No entanto, esses efeitos são altamente relevantes por natureza. Por exemplo, desempenham um papel decisivo na formação de gelo nas nuvens ou em processos no interior da Terra.

Usando os intensos flashes de raios X do laser de elétrons livres de raios X do XFEL europeu, uma equipe internacional de pesquisadores do XFEL europeu em Schenefeld, perto de Hamburgo, conseguiu agora medir com precisão a nucleação de líquidos super-resfriados. Os experimentos ocorreram no vácuo para que a luz dos raios X não interagisse com as moléculas do ar, o que interferiria nos experimentos.

A pesquisa foi publicada na revista Physical Review Letters .

Devido à sua complexidade, entretanto, a água é um dos líquidos mais difíceis de modelar. Por esse motivo, os pesquisadores usaram argônio e criptônio na forma líquida em seus experimentos. Na verdade, os líquidos de gases nobres super-resfriados são os únicos sistemas para os quais podem ser feitas atualmente previsões teóricas confiáveis.

Os pesquisadores investigaram explicitamente a chamada taxa de nucleação do cristal J(T). Esta é uma medida da probabilidade de um cristal se formar em um determinado volume dentro de um determinado tempo. A velocidade com que isso acontece é um parâmetro importante, por exemplo, para poder descrever matematicamente processos reais em modelos – na previsão do tempo, por exemplo, ou em modelos climáticos.

Como é tão difícil medir a formação real de cristais, simulações são frequentemente utilizadas. No entanto, estes estão associados a grandes incertezas. Por exemplo, as taxas de nucleação simuladas para a água podem divergir em várias ordens de grandeza daquelas medidas experimentalmente, o que torna a modelagem imprecisa.

O laser de raios X do XFEL europeu é ideal para investigações deste tipo:com a ajuda de intensos flashes de raios X, os pesquisadores podem investigar as mudanças muito rápidas no desenvolvimento da cristalização.

A equipe escolheu o instrumento MID (MID =Materials Imaging and Dynamics) para seus experimentos. Eles bombardearam os jatos líquidos com pulsos de raios X que tinham uma energia de 9,7 quiloelétron-volts (keV). Cada pulso de raios X durou menos de 25 femtossegundos – um femtossegundo corresponde a um quatrilionésimo de segundo. Para ilustrar, a luz viaja menos de um milímetro neste período.

Os experimentadores direcionaram a intensa luz de raios X para o jato líquido, que tinha apenas 3,5 micrômetros de espessura, focando-o em uma superfície com diâmetro inferior a um micrômetro. No total, a equipe gravou vários milhões de imagens de difração para ter estatísticas suficientes e determinar a taxa de formação de cristais com precisão suficiente.

De acordo com seus resultados, as taxas de nucleação de cristais são muito menores do que aquelas previstas com base em simulações e na teoria clássica.

“O estudo promete expandir significativamente a nossa compreensão da cristalização”, diz Johannes Möller do instrumento MID do XFEL europeu. "Os resultados mostram que a teoria clássica amplamente utilizada da formação de cristais a partir da fase líquida se desvia significativamente da realidade."

“Esperamos que nossa abordagem permita testar pela primeira vez várias extensões da teoria clássica para prever a cristalização”, acrescenta Robert Grisenti do GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, autor sênior do estudo. "Nossas descobertas ajudarão os teóricos a refinar seus modelos no futuro."