Água é comprimida entre dois diamantes. A pressão sobe para 20.000 vezes a pressão atmosférica em dez milissegundos. Um laser de raios X captura um milhão de imagens por segundo. E algo estranho acontece: a água se solidifica. À temperatura ambiente. Não deveria, mas solidifica.
É chamado de gelo XXI, Gelo XXI e é, precisamente, a vigésima primeira fase do gelo que conhecemos. Uma estrutura cristalina tetragonal com 152 moléculas de água por unidade repetida. Nada parecido havia sido observado antes. Os pesquisadores da Instituto de Pesquisa de Padrões e Ciência da Coreia eles descobriram isso usando oEuropeu XFEL na Alemanha, o laser de raios X mais potente do mundo. É gelo, mas não como o conhecemos.
Quando a pressão substitui o frio
Esqueça o congelador. Para criar o Gelo XXI, você precisa de uma bigorna de diamante, um dispositivo que usa a dureza dos diamantes para gerar pressões monstruosas. O estudo publicado na Nature Materials Ele descreve um processo alucinante: a água é comprimida a 2 gigapascais (cerca de 20.000 vezes a pressão atmosférica) em apenas 10 milissegundos. Em seguida, a pressão é liberada lentamente ao longo de um segundo. O ciclo se repete mais de mil vezes.
Enquanto isso, o feixe de raios X doEuropeu XFEL Funciona como uma câmera de alta velocidade: captura imagens a cada microssegundo, criando um filme da transformação molecular. É como assistir à água decidir o que quer ser quando crescer, só que a decisão acontece em uma fração de segundo, sob uma pressão que pulverizaria qualquer coisa, menos um diamante.
Uma estrutura que não se parece com nada
O interessante sobre o gelo XXI não é apenas que ele se forma à temperatura ambiente. É que sua arquitetura molecular não se assemelha a nenhuma das outras vinte fases conhecidas do gelo. Sua estrutura é tetragonal (como um cubo achatado) com enormes unidades repetitivas: cada célula contém 152 moléculas de água. Para se ter uma ideia, o gelo comum (gelo I, o tipo que colocamos em bebidas) tem uma estrutura hexagonal muito mais simples.
como explicado Geun Woo Lee, físico de Instituto de Pesquisa da Coreia e principal autor do estudo: “A compressão rápida da água permite que ela permaneça líquida em pressões nas quais já deveria ter se cristalizado em gelo VI. A estrutura na qual o H₂O líquido cristaliza depende do grau de supercompressão do líquido.”
Na prática, gelo XXI é uma fase de transição, um acidente controlado na estrada que transporta água para o gelo VI, uma forma exótica de gelo que provavelmente preenche as profundezas de luas geladas como Titã e GanimedesA água precisa ser comprimida em temperatura ambiente tão rapidamente que não tenha tempo de se organizar no formato "pretendido". O resultado é essa configuração intermediária que persiste apenas o tempo suficiente para ser fotografada.
Por que estudar gelo alienígena?
A descoberta do gelo XXI não é apenas um exercício acadêmico. Entender como a água se comporta sob pressão extrema nos ajuda a imaginar o que acontece no interior de planetas e luas gelados. De acordo com Rachel Husband, coautor do estudo e físico do Centro DESY Na Alemanha,
“Nossos resultados sugerem que pode existir um número maior de fases de gelo metaestáveis de alta temperatura e seus caminhos de transição, potencialmente oferecendo novos insights sobre a composição de luas geladas.”
Titã, a maior lua de Saturno, tem um oceano subterrâneo que pode conter mais água do que todos os oceanos da Terra juntos. GanimedesA lua de Júpiter, Gelo VI, provavelmente esconde um oceano de 100 quilômetros de profundidade sob sua crosta gelada. Nesses ambientes, a pressão é tal que a água poderia assumir configurações exóticas, como o Gelo VI, ou, na verdade, passar por fases intermediárias, como o Gelo XXI.
O laser que vê o invisível
O Europeu XFEL (Laser de Elétrons Livres de Raios X) em Hamburgo não é um laser comum. É uma máquina de 3,4 quilômetros de comprimento que gera pulsos de raios X um bilhão de vezes mais brilhantes do que os produzidos por fontes convencionais. Cada pulso dura alguns femtossegundos (um milionésimo de um bilionésimo de segundo) e pode capturar processos que ocorrem em escala atômica.
No caso do gelo XXI, essa velocidade foi crucial. A transformação da água sob extrema pressão ocorre em questão de milissegundos. Sem um instrumento capaz de "congelar" o processo quadro a quadro, teria sido impossível documentar a formação dessa fase intermediária. Como relatamos no passado para outros estados exóticos da matéria, tecnologias avançadas de imagem estão revelando fenômenos que até poucos anos atrás eram apenas hipóteses teóricas.
Sakura Pascarelli, diretor científico doEuropeu XFEL, comenta: “É fantástico ver mais um ótimo resultado do nosso Water Call, uma iniciativa que convida cientistas a submeter estudos inovadores sobre a água. Estamos ansiosos para ver muitas outras descobertas empolgantes.”
A água ainda é um mistério
Pode parecer absurdo, mas a água (H₂O, dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio) é uma das substâncias mais complexas do universo. Apesar de sua fórmula química simples, ela pode assumir mais de vinte configurações sólidas diferentes, dependendo da temperatura e da pressão. Cada fase possui propriedades únicas: densidade, estrutura cristalina e comportamento óptico.
A descoberta de gelo XXI sugere que pode haver outras fases ainda desconhecidas, escondidas nos cantos do diagrama pressão-temperatura, que ainda não exploramos. Como diz Geun Woo Lee:
A água é um dos materiais mais misteriosos do universo. Por que dois elementos tão simples criam tantas fases diferentes? Acreditamos que ainda existam fases cristalinas desconhecidas do gelo. Quando dizemos desconhecidas, queremos dizer não descobertas, mas possivelmente existentes.
A pesquisa continua. O próximo passo será entender se existem outras fases metaestáveis ao longo das vias de cristalização da água e se elas podem nos dizer algo novo sobre o funcionamento dos mundos gelados do sistema solar.
Enquanto tivermos diamantes duros o suficiente e lasers rápidos o suficiente, continuaremos espremendo água, mesmo em temperatura ambiente, para ver o que mais ela pode fazer.
