A física está cheia de mistérios. Para encontrar alguns que valem a pena explorar, basta procurar um cubo de gelo. À temperatura ambiente, é claro, o cubo derreterá diante dos seus olhos. Mas mesmo muito abaixo de zero, o gelo pode mudar de formas quase imperceptíveis que os cientistas ainda estão a tentar compreender. Usando ferramentas de imagem do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), os pesquisadores detectaram um fenômeno conhecido como pré-fusão em temperaturas muito mais baixas do que as observadas anteriormente.



Suas descobertas foram publicadas na revista Proceedings of the National Academy of Sciences .

A pré-derretimento é a razão pela qual um pedaço de gelo pode ser escorregadio mesmo em um dia frio e claro. Embora a mancha esteja congelada, alguma parte da superfície está molhada, uma ideia proposta pela primeira vez por Michael Faraday em meados do século XIX. A ideia de uma camada pré-derretida, semelhante a um líquido, no gelo abre outras questões de longa data sobre como a água se transforma de líquida em sólida e em vapor – e como, sob certas condições, pode ser as três ao mesmo tempo.

No estudo recente, os cientistas examinaram cristais de gelo formados abaixo de 200 graus Fahrenheit negativos. A equipe usou o Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) de Argonne, uma instalação do DOE Office of Science, para cultivar e observar os nanocristais de gelo, que mediam apenas 10 milionésimos de metro de diâmetro.

Além do que o estudo revela sobre a natureza da água em temperaturas abaixo de zero, ele demonstra um método para examinar amostras sensíveis em detalhes moleculares:microscopia eletrônica de transmissão (TEM) de baixa dose e alta resolução. TEM direciona um fluxo de elétrons, que são partículas subatômicas, para um objeto. Um detector cria uma imagem captando como os elétrons se espalham pelo objeto.

"Alguns materiais são sensíveis ao feixe. Quando você usa um feixe de elétrons para obtê-los, eles podem ser alterados ou destruídos, "disse Jianguo Wen, cientista de materiais de Argonne e principal autor do artigo. Um exemplo de material sensível ao feixe de elétrons são os eletrólitos, que trocam partículas carregadas nas baterias." Ser capaz de estudá-los detalhadamente sem perturbar sua estrutura poderia ajudar no desenvolvimento de baterias melhores.

Mas, para começar, os investigadores estão a experimentar a técnica TEM de baixa dose em água congelada. Afinal, a água é barata e abundante. Mais do que isso, Wen disse:"O gelo é muito desafiador para a imagem, porque é muito instável sob o feixe de elétrons de alta energia. Se demonstrarmos com sucesso esta técnica no gelo, a imagem de outros materiais sensíveis ao feixe será muito fácil. "

A técnica de baixa dose combina o TEM corrigido de aberração do CNM com uma câmera especializada de detecção direta de elétrons. O sistema é extremamente eficiente na captura de informações de cada elétron que atinge uma amostra, por isso é possível obter uma imagem de alta resolução usando menos elétrons, infligindo menos danos ao alvo do que uma abordagem TEM convencional.

O baixo nível de exposição aos elétrons torna possível capturar algo tão delicado como um cristal de gelo in situ ou em seu ambiente. A equipe de pesquisa usou nitrogênio líquido para fazer crescer os cristais de gelo em nanotubos de carbono a 130 graus Kelvin, ou 226 graus Fahrenheit negativos.

Estudos anteriores observaram pré-fusão próximo ao ponto triplo da água. No ponto triplo, a temperatura está apenas um fio de cabelo acima de zero e a pressão é baixa o suficiente para que gelo, líquido e vapor de água possam existir ao mesmo tempo. Em temperaturas e pressões abaixo do ponto triplo, o gelo sublima diretamente em vapor d'água.

As “regras” do comportamento da água são frequentemente resumidas em um diagrama de fases simples que mapeia os vários estados da água em diferentes combinações de temperatura e pressão.

"Mas o mundo real é muito mais complexo do que este simples diagrama de fases", disse Tao Zhou, cientista de materiais de Argonne e outro autor correspondente do artigo. "Mostramos que a pré-fusão pode acontecer bem abaixo na curva, embora não possamos explicar por quê."

Num vídeo capturado durante a experiência, dois nanocristais separados podem ser vistos dissolvendo-se um no outro à medida que o gelo é aquecido sob pressão constante a 150 graus Kelvin, ou 190 graus Fahrenheit negativos. Embora ainda bem abaixo de zero, o gelo formou uma camada quase líquida. Esta água ultraviscosa não é contabilizada nas linhas simples do diagrama de fases, onde a água passa diretamente do gelo ao vapor.

O estudo levanta questões intrigantes que podem ser exploradas em trabalhos futuros. Qual é a natureza exata da camada líquida que os pesquisadores viram? O que aconteceria se a pressão aumentasse junto com a temperatura? E será que esta técnica abre caminho para um vislumbre da “terra de ninguém”, o estado onde a água super-resfriada repentinamente cristaliza de líquido para gelo? A investigação científica de séculos sobre os vários estados da água continua.

Os co-autores com Wen e Zhou são Lei Yu, Thomas Gage, Suvo Banik, Arnab Neogi, Henry Chan, Xiao-Min Lin, Martin Holt e Ilke Arslan de Argonne; Yulin Lin e Aiwen Lei da Universidade de Wuhan; e Nathan Rosenmann, da Universidade de Illinois em Chicago.

Mais informações: Yulin Lin et al, Pré-fusão de gelo na superfície muito abaixo do ponto triplo, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2304148120
Informações do diário: Anais da Academia Nacional de Ciências

Fornecido pelo Laboratório Nacional Argonne