Cientistas criaram Ice-19, um novo estado da matéria

Cientistas criaram Ice-19, um novo estado da matéria

15 de julho de 2022 0 Por ucrhyan
Compartilhar:

Um novo estudo de uma equipe da Universidade de Chicago, publicado na edição de 14 de outubro de 2021 da revista Nature Physics, relata a criação de uma nova fase de gelo chamada “gelo superiônico”. Acontece que o gelo que tilinta em nossos copos de Coca-Cola, conhecido como Ih, é na verdade apenas uma das pelo menos 19 fases diferentes do gelo.

Estrutura do gelo regular.

Formado a partir de água, o gelo é composto apenas por átomos de hidrogênio e oxigênio na famosa configuração H2O de dois átomos de hidrogênio ligados a um átomo de oxigênio.

Uma ideia intrigante é que o gelo pode se tornar superiônico quando aquecido a temperaturas e pressões muito altas. Esse estado exótico conteria íons de hidrogênio semelhantes a líquidos movendo-se dentro de uma rede sólida de oxigênio.

O gelo superiônico foi previsto pela primeira vez em 1988 e, desde então, vários grupos de pesquisa usaram técnicas de simulação e compressão estática para tentar estudar essa fase do gelo.

A primeira evidência experimental de gelo de água superiônico veio de um estudo de 2018 realizado por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), da UC Berkeley e da Universidade de Rochester. Eles primeiro ensanduicharam uma gota de água entre dois diamantes que funcionavam como bigornas em miniatura, espremendo a gota com 2,5 GPa de pressão (25 mil atmosferas). Esta água “pré-comprimida” no gelo à temperatura ambiente VII, uma forma cristalina cúbica de gelo.

A equipe então mudou para o Laboratório de Energia Laser da Universidade de Rochester, onde bombardeou um dos diamantes com até seis intensos feixes de luz UV. Isso lançou fortes ondas de choque de várias centenas de GPa na amostra, para comprimir e aquecer o gelo ao mesmo tempo. O resultado verificou a existência de gelo super-iônico, mas só foi capaz de criá-lo por alguns nanossegundos antes de derreter – não o suficiente para medir suas propriedades.

Em um estudo mais recente, realizado em 2019, a equipe conseguiu criar uma forma mais estável do gelo espremendo uma gota de água com uma bigorna de diamante de 0,2 quilates e explodindo-a com um laser, pressurizando a gota a 3,5 milhões de vezes a da Terra. pressão atmosférica em temperaturas mais quentes que a superfície do sol. O gelo foi a décima oitava forma a ser descoberta, e por isso recebeu o nome de Gelo XVIII (“Gelo 18”).

Em Ice XVIII, os átomos de oxigênio na gota assumiram posições estacionárias, enquanto os átomos de hidrogênio, que foram despojados de seus elétrons, transformando-os em íons carregados positivamente, ficaram livres para fluir pelo gelo, agindo como um fluido. Os íons de fluxo livre bloquearam toda a luz de passar pelo gelo, tornando o gelo de cor preta.

O trabalho publicado em 2021 pela equipe em Chicago usou métodos semelhantes para elucidar o que pode ser outra fase do gelo superiônico. Eles espremeram gotas de água em uma bigorna de diamante a pressões de 20 GPa e dispararam lasers através dos diamantes para aquecer a amostra. Finalmente, eles enviaram um feixe de raios X através da amostra e juntaram o arranjo dos átomos dentro do gelo superiônico, observando como os raios X se espalhavam pela amostra.

Os íons de hidrogênio de fluxo livre e carregados positivamente no gelo superiônico também criam um campo magnético, e isso é muito interessante para os cientistas porque muitos corpos gelados em nosso sistema solar, como Netuno, Urano e as luas de Júpiter, Europa, Io e Ganimedes, têm campos magnéticos. Os cientistas agora estão se perguntando se esses campos magnéticos são causados ​​pela presença de gelo superiônico nos núcleos desses corpos.

Essa questão é vital, pois o campo magnético de um planeta, ou magnetosfera, é o que impede que os perigosos raios cósmicos e a radiação UV atinjam a superfície de um planeta e acabem com toda a vida. Se o gelo superiônico é comum nos núcleos de planetas fora do nosso sistema solar, isso tornaria a possibilidade de vida em outros planetas muito mais provável.

Diferentes fases do gelo

As diferentes fases do gelo são diferenciadas por sua estrutura cristalina, ou pela ordenação de seus prótons, e também por sua densidade. O gelo mais comum na Terra, Ih, ocorre quando a água líquida é resfriada abaixo de 32 ° F, 0 ° C ou 273,15 ° K à pressão atmosférica padrão.

Flocos de neve de seis lados.

Ih tem uma estrutura cristalina hexagonal, ou de seis lados, e essa estrutura é espelhada na infinita variedade de flocos de neve de seis lados. Em Ih os átomos de oxigênio assumem a forma hexagonal, enquanto os átomos de hidrogênio assumem posições em torno deles. Os átomos de hidrogênio são denominados “desordenados”.

A próxima fase mais comum de gelo na Terra, Icec, tem átomos dispostos em uma estrutura de diamante. É formado em temperaturas entre 130 K (-226 ° F) e 220 K (-64 ° F), e pode existir até 240 K (-28 ° F), e pode ser encontrado na atmosfera superior da Terra, onde atua um papel em temperaturas muito baixas na nucleação de gelo.

Ice II tem uma estrutura cristalina romboédrica, com seis faces que são losangos, e é formado pela compressão de Ih entre 190 K (-118 °F) e 210 K (-82 °F). Ice III tem uma estrutura cristalina tetragonal que consiste em três eixos em ângulos retos, dois dos quais são iguais, e é formado por resfriamento Ih até 250 K (-370 ° F) a uma pressão de 300 MPa. (1 Megapascal (MPa) é igual a 145,04 libras psi.)

Para criar o Ice IV, que tem uma estrutura romboédrica, você precisa de um agente de nucleação que afete a temperatura na qual ocorre a cristalização. Ice IV é a fase de gelo mais baixa e de alta pressão à temperatura ambiente e foi encontrado espectroscopicamente em inclusões de diamante. Requer uma pressão de 810 Mpa. Ice V é formado por água de resfriamento a 253 K (-4,27 ° F) a 500 MPa, e tem uma estrutura cristalina complicada, incluindo anéis de 4 membros, 5 membros, 6 membros e 8 membros e um total de 28 moléculas na célula unitária.

Ice VI tem uma estrutura cristalina tetragonal, e é formado em temperaturas de até 355 K (179,33 ° F) e uma pressão de 1,1 GPa. Os átomos de oxigênio no gelo VII têm uma estrutura cúbica. Este gelo é o único que permanece estável mesmo em pressões muito altas, excedendo 30.000 atmosferas (3 gigapascals). Em 2018, pesquisadores da Universidade de Nevada encontraram as primeiras amostras de gelo VII de ocorrência natural na Terra, dentro de diamantes.

No Ice VIII, que é formado pelo resfriamento do Ice-VII abaixo de 278 K (40,73 ° F) em cerca de 2,1 GPa, os átomos de hidrogênio assumem posições fixas.

Ice IX, que foi descoberto em 1968, tem uma estrutura tetragonal, e é formado a partir de gelo-3 resfriando-o entre 208 K (-85,27 ° F) a 165 K (-163 ° F) com pressões entre 200 MPa e 400 MPa. Os átomos no Ice X são ordenados por prótons, simétricos e se formam em torno de 60 a 70 GPa. O Ice X também é considerado estável a temperaturas muito altas.

Ice-11, que foi descoberto em 1996, é a fase ordenada por prótons do gelo comum e apresenta dipolos de água alinhados. Ele pode ser sintetizado em condições de laboratório a temperaturas em torno de 72 K (-330 ° F) e é ferroelétrico, o que significa que seus átomos podem ser polarizados espontaneamente.

Ice XII tem uma estrutura tetragonal. Gelo puro XII pode ser criado a partir de gelo Ih a 77 K (-196,2 °C; -321,1 °F) usando compressão rápida (0,81-1,00 GPa/min) ou aquecendo gelo amorfo de alta densidade a pressões entre 810 e 1600 MPa.

Ice XIII, que foi descoberto em 2006, é uma forma ordenada de prótons de Ice V. Tem uma estrutura cristalina monoclínica com três eixos desiguais dos quais um está em ângulo reto com os outros dois. É formado pela dopagem de água com HCL (na proporção de cerca de uma molécula para cada 5.000 moléculas de água) e resfriamento abaixo de 130 K (-226 ° F) a 500 MPa.

O gelo XIV, que foi descoberto no mesmo ano, tem uma estrutura ortorrômbica e é formado em temperaturas abaixo de 118 K (-247 ° F) a 1,2 GPa. É a forma ordenada de prótons do gelo XII.

Ice XV é uma forma ordenada de prótons de Ice VI e é formado pelo resfriamento da água a cerca de 130  K (-226 ° F) a pressões de 0,8 a 1,5 GPa. O gelo XVI é a forma cristalina de água menos densa obtida experimentalmente, enquanto o gelo XVII, também conhecido como gelo quadrado, foi descoberto em 2014. Ele se forma à temperatura ambiente quando a água é espremida entre duas camadas de grafeno a mais de 10.000 atmosferas de pressão. O grafeno é uma forma de carbono que consiste em uma única camada de átomos dispostos em uma nanoestrutura bidimensional em forma de colmeia.

A vida está imitando a arte?

Em 1963, o famoso escritor Kurt Vonnegut publicou um romance intitulado Cat’s Cradle. É um estranho amálgama de ciência, tecnologia, guerra fria e religião. Trata-se de um escritor que viaja para a cidade natal de um físico fictício vencedor do Prêmio Nobel chamado Felix Hoenikker para determinar o que Hoenikker estava fazendo no dia em que os EUA lançaram a bomba atômica em Hiroshima, 6 de agosto de 1945.

O escritor logo descobre pelos três filhos adultos de Hoenikker que o famoso cientista estava jogando o jogo de cordas “Cat’s Cradle” naquele dia fatídico. O escritor também descobre que Hoenikker criou uma substância misteriosa chamada Ice-9, que é uma fase de gelo que permanece sólida à temperatura ambiente e não derrete até que a temperatura atinja 114,4 ° F.

Outra propriedade infeliz do Ice-9 é que ele atua como um cristal de semente, encaixando qualquer molécula de água que toque na configuração do Ice-9. Isso transformaria toda a água da Terra em um sólido, acabando assim com toda a vida

O verdadeiro Ice-9 não foi descoberto até 1968, cinco anos após a publicação do livro de Vonnegut. Felizmente, ele não tem nenhum dos atributos perniciosos de sua contraparte fictícia, e não vamos dizer o que acontece no livro se o ficcional Ice-9 acabar com toda a vida na Terra, mas faz você se perguntar sobre novas fases de gelo ainda a serem descobertas