Físicos descobriram uma nova e estranha fase tetragonal do gelo de água

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A bigorna de diamante usada para esmagar a amostra. Créditos: Chris Higgins / UNLV.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

Uma nova forma cristalina de gelo de água foi descoberta em transições passageiras entre fases em altas pressões.

Chama-se Gelo-VIIt, e ocorre quando a substância passa entre dois arranjos cúbicos de moléculas já conhecidos. Embora seja improvável que Gelo-VIIt apareça naturalmente na superfície da Terra, pode revelar mais sobre como a água se comporta em mundos alienígenas massivos.

Podemos pensar que é comum, mas a água é realmente muito estranha em comparação com outros líquidos que conhecemos. O arranjo das moléculas dentro da forma congelada da água – gelo – pode variar significativamente, dependendo das condições ao seu redor.

Conhecemos pelo menos 19 dessas fases sólidas de gelo, algumas das quais ocorrem naturalmente, algumas das quais só foram vistas em condições de laboratório.

O gelo que você vê no freezer, ou caindo do céu como flocos de neve ou granizo, é o gelo natural mais comum na Terra. É chamado Gelo-I, com átomos de oxigênio dispostos em uma grade hexagonal. A estrutura é, no entanto, geometricamente frustrada, com os átomos de hidrogênio pendurados de forma desordenada.

Quando os físicos resfriam o Gelo-I em várias temperaturas e aplicam diferentes pressões a ele, os átomos de hidrogênio e oxigênio dentro dele podem periodicamente alinhar em diferentes arranjos, às vezes até se ordenando de forma mais organizada. Essas várias formas de gelo de água nem sempre são estáveis, mas podemos explorá-las no laboratório para revelar suas curiosas estruturas moleculares.

Duas dessas fases que possuem estruturas cúbicas são Gelo-VII, que possui hidrogênio desordenado, e Gelo-X, que é simétrica. Estes podem ser alcançados submetendo o gelo a altas pressões dezenas a centenas de milhares maiores do que a pressão atmosférica da Terra ao nível do mar, com Gelo-VII em pressões ainda mais baixas do que Gelo-X.

Para estudar as transições entre as fases do gelo, uma equipe de físicos liderada por Zach Grande, da Universidade de Nevada, Las Vegas (EUA), realizou experimentos em gelo de alta pressão usando uma nova técnica para medir as propriedades do gelo à medida que a pressão era aplicada.

Os pesquisadores espremeram uma amostra de água em uma bigorna de diamante, forçando-a a congelar em uma mistura de cristais. Lasers foram usados ​​para aquecer a amostra, fazendo com que ela derretesse antes de congelar novamente no que os pesquisadores descreveram como uma coleção de cristais em forma de pó.

Ao aumentar gradualmente a pressão na bigorna, com rajadas periódicas do laser, os pesquisadores criaram o Gelo-VII e observaram a transição para o Gelo-X. No meio, graças à sua nova técnica de medição, eles também observaram a nova fase intermediária, Gelo-VIIt.

Nesta fase, a rede cúbica de Gelo-VII é esticada ao longo de um de seus vetores para que a estrutura se estenda em um arranjo retangular, com uma pegada cúbica, antes de se estabelecer no arranjo cúbico simétrico e totalmente ordenado de Gelo-X. Este arranjo é conhecido como tetragonal.

A equipe também mostrou que o Gelo-X pode se formar em pressões muito mais baixas do que se pensava anteriormente. Gelo-VII se forma a partir de aproximadamente 3 gigapascals; isto é, 30.000 pressões atmosféricas. De acordo com as observações da equipe, a transição para Gelo-VIIt ocorre em torno de 5,1 gigapascals.

Relatórios anteriores colocaram a pressão de transição para o Gelo-X entre 40 e 120 gigapascals. No entanto, Grande e sua equipe observaram a transição entre Gelo-VIIt e Gelo-X ocorrendo em torno de 30,9 gigapascals.

Isso, disse a equipe, deve ajudar a resolver o debate sobre a pressão de transição para o Gelo-X.

“O trabalho de Zach demonstrou que essa transformação para um estado iônico ocorre em pressões muito, muito mais baixas do que se pensava antes”, disse o físico Ashkan Salamat, da Universidade de Nevada, em Las Vegas. “É a peça que faltava e as medições mais precisas já feitas na água nessas condições”.

Isso, disse a equipe, pode ter implicações importantes para estudar as condições interiores de outros mundos. Planetas ricos em água fora do Sistema Solar poderiam, segundo eles, ter Gelo-VIIt em abundância, aumentando até mesmo a chance de condições adequadas para o surgimento da vida.

A pesquisa da equipe foi publicada na Physical Review B.