O Instituto de Pesquisa de Padrões e Ciência da Coreia (KRISS, presidente Lee Ho Seong) capturou a primeira observação de congelamento e derretimento repetidos de água em pressões muito altas acima de 2 gigapascais (2 GPa) à temperatura ambiente. Essas mudanças rápidas foram registradas em uma escala de tempo de microssegundos (μs, um milionésimo de segundo).
Esta conquista levou à identificação de um caminho de cristalização inteiramente novo para a água e à descoberta de uma fase de gelo até então desconhecida. A estrutura recentemente reconhecida foi denominada Gelo XXI, tornando-a a 21ª forma cristalina de gelo.
Como a alta pressão cria novas formas de gelo
A água geralmente congela quando sua temperatura cai abaixo de 0 °C, mas a pressão também pode levar à cristalização. Sob as condições de pressão corretas, o gelo pode se formar à temperatura ambiente ou mesmo acima do seu ponto de ebulição normal. Por exemplo, a água comprimida acima de 0,96 GPa à temperatura ambiente transforma-se em gelo VI.
Durante o congelamento, a rede de ligações de hidrogênio entre as moléculas de água é distorcida e reorganizada de maneiras complexas. Essas mudanças criam estruturas de gelo elaboradas, dependendo da pressão e da temperatura circundante.
Uma compreensão mais detalhada de como ocorrem estes rearranjos moleculares, e a capacidade de controlá-los sob condições extremas, poderia abrir caminho para a criação de materiais inteiramente novos que não existem naturalmente na Terra.
Um século de pesquisa no gelo atingiu um novo marco
Nos últimos 100 anos, os cientistas identificaram 20 fases distintas de gelo cristalino ajustando a pressão e a temperatura. Essas fases aparecem em uma ampla faixa de temperaturas acima de 2.000 K e pressões acima de 100 GPa. A região entre a pressão ambiente (0 GPa) e 2 GPa é considerada uma das regiões mais complexas do diagrama de fases da água, onde coexistem mais de dez fases de gelo diferentes.
O grupo de metrologia espacial da KRISS conseguiu criar um estado líquido supercomprimido onde a água permanece líquida à temperatura ambiente apesar de pressões superiores a 2 GPa, o dobro da pressão normalmente necessária para a cristalização. Isto é possível com uma célula de bigorna de diamante dinâmica (dDAC**), um dispositivo de alta pressão desenvolvido na KRISS.
As células de bigorna de diamante convencionais (DACs) aumentam a pressão apertando os parafusos, um processo que muitas vezes causa gradientes de pressão e distúrbios mecânicos que desencadeiam a nucleação prematura. O KRISS dDAC minimiza esses problemas reduzindo o choque mecânico e o tempo de compressão de dezenas de segundos para apenas 10 milissegundos (ms). Isso permite que a água seja empurrada profundamente para dentro da faixa de pressão do Ice VI enquanto permanece líquida.
Capturando o nascimento de uma nova era glacial
Em colaboração com parceiros internacionais, os cientistas do KRISS usaram o dDAC com o XFEL europeu (a maior instalação de laser de elétrons livres de raios X do mundo) para monitorar a cristalização da água supercomprimida com precisão de microssegundos. Estas observações revelaram caminhos de cristalização complexos e nunca antes vistos à temperatura ambiente. As mudanças ocorreram com um novo episódio de gelo, Ice XXI, marcando a primeira detecção global da 21ª forma cristalina de gelo.
Os pesquisadores também determinaram a estrutura detalhada do Gelo XXI e mapearam os vários caminhos que levam à sua formação. O Gelo XXI mostra uma célula unitária invulgarmente grande e complexa em comparação com outras fases conhecidas. A geometria do cristal é uma rede retangular achatada com duas bordas basais de comprimento idêntico.
Uma grande colaboração internacional
A descoberta envolveu 33 investigadores da Coreia do Sul, Alemanha, Japão, Estados Unidos e Inglaterra, juntamente com cientistas do XFEL e DESY europeus. O projeto foi proposto e liderado por KRISS sob a orientação do Dr. Lee Geun Woo, que atuou como Investigador Principal (PI).
A equipe KRISS inclui o Dr. Kim Jin-kyun (co-primeiro autor, pesquisador de pós-doutorado no KRISS), Dr. Lee Eun-hee (co-primeiro autor, diretor Kim-jeo) foi. Pesquisador de pós-doutorado), Dr. Cho Yong Chan (co-autor, principal cientista pesquisador) e Dr. Lee Jeon Woo (autor correspondente, principal cientista pesquisador). Eles lideraram o projeto experimental, a coleta de dados e a análise estrutural que permitiram a primeira detecção do Gelo XXI. O seu trabalho representa um grande avanço para a física de alta pressão e para a ciência planetária.
“A densidade do Gelo XXI é comparável às camadas de gelo de alta pressão dentro das luas geladas de Júpiter e Saturno. Esta descoberta pode fornecer novas pistas para explorar as origens da vida sob condições extremas no espaço,” disse o Dr. Lee Yun-hee.
Lee Jeun Woo acrescentou: “Ao combinar nossa tecnologia dDAC desenvolvida internamente com o XFEL, fomos capazes de capturar momentos fugazes que eram inatingíveis com instrumentos convencionais. A pesquisa contínua em ambientes de ultra-alta pressão e outros ambientes extremos abrirá novas fronteiras na ciência.”
Observação
* Anteriormente, foram relatadas fases de gelo de Ice I a Ice XX. O gelo I ocorre em duas formas estruturais: gelo hexagonal Ih e gelo cúbico Ic.
** O dDAC é um dispositivo de alta pressão que utiliza um par de atuadores piezoelétricos e de diamante para controlar e monitorar dinamicamente as mudanças de pressão em uma amostra microscópica de água.
Esta pesquisa foi apoiada pelo projeto de desenvolvimento de tecnologias de medição e materiais de ultra-alta temperatura para motores de foguete classe 4000 K do Conselho Nacional de Pesquisa de Ciência e Tecnologia (NST). Os resultados são publicados Materiais da natureza (Fator de Impacto: 38,5) em outubro.
