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Ordem e desordem no gelo cristalino explicadas
Os resultados, publicados no PNAS, tendem a se estender às superfícies de gelo, uma possibilidade que pode ser relevante para a aglomeração de partículas de gelo no espaço interestelar.
Por Escola Internacional de Estudos Avançados (SISSA) - 30/12/2020


Domínio público

Uma substância fascinante com propriedades únicas, o gelo intrigou os humanos desde tempos imemoriais. Ao contrário da maioria dos outros materiais, o gelo em temperaturas muito baixas não é tão ordenado quanto poderia ser. Uma colaboração entre a Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), o Centro Internacional de Física Teórica Abdus Salam (ICTP), o Instituto de Física Rosário (IFIR-UNR), com o apoio do Istituto Officina dei Materiali do Instituto Nacional Italiano O Conselho de Pesquisa (CNR-IOM), fez novos avanços teóricos sobre as razões pelas quais isso acontece e sobre a forma como parte da ordem perdida pode ser recuperada. Nesse estado ordenado, a equipe de cientistas descreveu uma propriedade relativamente obscura, mas fundamental do gelo de temperatura muito baixa: a ferroeletricidade. Os resultados, publicados no PNAS, tendem a se estender às superfícies de gelo, uma possibilidade que pode ser relevante para a aglomeração de partículas de gelo no espaço interestelar.

“Em um pedaço de gelo idealmente ordenado, os átomos de hidrogênio de cada molécula de água deveriam apontar na mesma direção, como soldados em um pelotão olhando para a frente deles”, explica Alessandro Laio, físico do SISSA e ICTP. "Se fosse esse o caso, o gelo exibiria uma polarização elétrica macroscópica - seria ferroelétrico. Em vez disso, as moléculas de água no gelo, mesmo em temperaturas muito baixas , se comportam como soldados rebeldes e todas olham em direções diferentes."

Este comportamento anômalo, descoberto experimentalmente na década de 1930, foi imediatamente explicado por Linus Pauling: a falta de disciplina é um efeito da restrição da 'regra do gelo' - todo átomo de oxigênio deve, a qualquer momento, possuir dois e apenas dois prótons para fazê-lo H 2 O. A difícil cinética criada por essa restrição faz com que o processo de ordenação se torne infinitamente lento, como em um pelotão onde cada soldado tinha quatro vizinhos e tinha que manter as duas mãos nos ombros de dois deles.

"Não fosse por impurezas ou defeitos, que acabaram por desempenhar um papel revelador, ainda hoje não saberíamos se a ordem de prótons e a ferroeletricidade do gelo cristalino a granel é uma possibilidade real ou uma invenção da imaginação, já que nem experimentos nem simulações poderiam superar a desaceleração cinética gerada pela regra do gelo ”, destaca Erio Tosatti, físico da SISSA, ICTP e CNR-IOM Democritos.

"Embora o estudo se restrinja, por enquanto, ao gelo a granel", concluem Tosatti e Laio, "o mecanismo destacado provavelmente se estenderá às superfícies de gelo, onde cadeias de prótons ordenados podem nuclear em baixas temperaturas, explicando uma pequena quantidade conhecida de ferroelétrico local polarização, fenômeno também citado como possivelmente relevante para a aglomeração de partículas de gelo no espaço interestelar. "


Impurezas, como um KOH substituindo H 2 O, são de fato conhecidos por permitir que o processo de ordenação se nucleado e o gelo se torne ordenado e ferroelétrico em temperatura muito baixa, embora apenas parcialmente e lentamente. Mais uma vez, suspeitou-se que a "regra do gelo" estava por trás da lentidão desse processo, mas não se sabia exatamente como isso funcionava.

Junto com Jorge Lasave e Sergio Koval do IFIR-UNR na Argentina, ambos membros associados do ICTP, Alessandro Laio e Erio Tosatti desenharam um modelo teórico e uma estratégia para explicar o comportamento do gelo puro e dopado.

“Segundo esse modelo”, explicam os cientistas, “uma vez que uma impureza é introduzida em um estado inicial desordenado de baixa temperatura de desequilíbrio, ela atua como uma semente para a fase ordenada, mas de maneira peculiar: nem todos os 'soldados' em torno da impureza comece a olhar na direção correta, mas apenas aqueles que estão na frente ou atrás da impureza. Assim, ao final do processo, apenas uma fila de soldados dentro do pelotão será ordenada. " Este processo altamente atípico tem muitas das características que podem explicar o início lento e incompleto da ordem ferroelétrica em gelo dopado real.

"Embora o estudo se restrinja, por enquanto, ao gelo a granel", concluem Tosatti e Laio, "o mecanismo destacado provavelmente se estenderá às superfícies de gelo, onde cadeias de prótons ordenados podem nuclear em baixas temperaturas, explicando uma pequena quantidade conhecida de ferroelétrico local polarização, fenômeno também citado como possivelmente relevante para a aglomeração de partículas de gelo no espaço interestelar. "

 

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