&bala; Física 18, 47
Um experimento de dispersão de nêutrons confirmou a existência de uma fase incomum de gelo que se forma a alta temperatura e alta pressão.
Acima de uma pressão de 2 gigapascais (GPA), o gelo da água adota uma estrutura cúbica centrada no corpo (BCC) conhecida como gelo VII. Quando a temperatura e a pressão dessa estrutura aumentam, os átomos de hidrogênio começam a se mover e eventualmente se tornam prótons móveis. Mas antes que a temperatura fique alta o suficiente para libertar prótons, as moléculas de água podem girar dentro da rede BCC, criando uma fase de gelo conhecida como gelo plástico VII. Esta fase incomum foi prevista pela primeira vez em 2008. Agora, Livia Bove, da Universidade de Sorbonne, na França, e seus colaboradores confirmaram sua existência por meio de experimentos de dispersão de nêutrons (1).
A rotação reveladora das moléculas de água no gelo plástico VII se manifesta principalmente no rápido movimento de átomos de hidrogênio. Os nêutrons se espalham rapidamente átomos de hidrogênio, tornando-os uma sonda estrutural superb em experimentos de dispersão de nêutrons. Além disso, os nêutrons produzidos em instalações de escurecimento de nêutrons tendem a ter poucas energias, o que significa que uma pequena mas potencialmente mensurável mudança nos resultados da energia resulta do chute adicional. Mas o gelo plástico VII ainda é um desafio de observar, e não apenas por causa da necessidade de atingir temperaturas superiores a 450 K e pressões superiores a 3 GPa. Atingir essas pressões requer uma célula de ângulos de diamante, que, sendo pequena, reduz o quantity da amostra a ponto de um feixe de nêutrons típico lutaria para fornecer nêutrons suficientes para formar um padrão de difração nítido.
Para superar esse desafio, Bove e seus colaboradores usaram os poderosos vigas de nêutrons disponíveis no Instituto Laue – Langevin na França. Em seus experimentos, os pesquisadores registraram padrões de difração de nêutrons a cinco temperaturas entre 471 e 523 K e a três pressões entre 4,6 e 5,9 GPa. A energia que os nêutrons perderam ou ganharam quando espalharam um átomo de hidrogênio em movimento foi detectado através dos tempos de voo dos nêutrons da amostra para o detector. Quando as condições favoreciam o estado líquido, os pesquisadores registraram um sinal indicando que as moléculas estavam mudando de posição e girando. No gelo cristalino VII, esses dois movimentos pareciam congelados. No gelo plástico VII, os pesquisadores observaram sinais indicando uma estrutura cristalina e rotações moleculares ativas.
Para caracterizar as rotações no gelo plástico VII, os pesquisadores realizaram simulações de dinâmica molecular de água nas mesmas condições de temperatura e pressão que nos experimentos. As simulações reproduziram os dados de dispersão de nêutrons nas três fases. Além disso, a combinação de dados e simulações revelou que as moléculas de água no gelo plástico VII não giram livremente. Em vez disso, eles pulam aleatoriamente entre algumas direções favorecidas. Tais saltos também são vistos em cristais pressurizados de neopentil glicol e certas outras moléculas orgânicas (2).
A gama de condições sob as quais o gelo plástico VII existe é consideravelmente mais estreito do que para o ICE VII, que deve existir no Moons Callisto de Júpiter e Ganimedes e no titã da lua de Saturno, ensanduichado entre os núcleos rochosos das luas e os oceanos líquidos. Não é claro se as propriedades do gelo plástico VII influenciaram a formação ou estrutura daquelas luas de Júpiter e Saturno não é claro.
–Darles Day
Charles Day é um editor sênior para Revista de Física.
Referências
- M. Rescigno et al.“Observação do gelo plástico VII por dispersão quase elástica de nêutrons”. Natureza (2025).
- B. Li et al.“Efeitos barocalóricos colossais em cristais plásticos”. Natureza 567506 (2019).
