Uma substância fascinante com propriedades únicas, o gelo intrigou os humanos desde tempos imemoriais. Ao contra¡rio da maioria dos outros materiais, o gelo em temperaturas muito baixas não étão ordenado quanto poderia ser. Uma colaboração entre a Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), o Centro Internacional de Fa­sica Tea³rica Abdus Salam (ICTP), o Instituto de Fa­sica Rosa¡rio (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 a ssuperfÍcies de gelo, uma possibilidade que pode ser relevante para a aglomeração departículas de gelo no espaço interestelar.

“Em um pedaço de gelo idealmente ordenado, os a¡tomos de hidrogaªnio de cada molanãcula de águadeveriam apontar na mesma direção, como soldados em um pelotão olhando para a frente deles”, explica Alessandro Laio, fa­sico do SISSA e ICTP. "Se fosse esse o caso, o gelo exibiria uma polarização elanãtrica macrosca³pica - seria ferroelanãtrico. Em vez disso, as moléculas de águano gelo, mesmo em temperaturas muito baixas , se comportam como soldados rebeldes e todas olham em direções diferentes."

Este comportamento ana´malo, descoberto experimentalmente na década de 1930, foi imediatamente explicado por Linus Pauling: a falta de disciplina éum efeito da restrição da 'regra do gelo' - todo a¡tomo de oxigaªnio deve, a qualquer momento, possuir dois e apenas dois pra³tons para fazaª-lo H 2 O. A difa­cil cinanãtica 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 ma£os nos ombros de dois deles.

"Nãofosse por impurezas ou defeitos, que acabaram por desempenhar um papel revelador, ainda hoje não sabera­amos se a ordem de pra³tons e a ferroeletricidade do gelo cristalino a granel éuma possibilidade real ou uma invenção da imaginação, já que nem experimentos nem simulações poderiam superar a desaceleração cinanãtica gerada pela regra do gelo ”, destaca Erio Tosatti, fa­sico da SISSA, ICTP e CNR-IOM Democritos.

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 ferroelanãtrico em temperatura muito baixa, embora apenas parcialmente e lentamente. Mais uma vez, suspeitou-se que a "regra do gelo" estava por trás da lentida£o 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 tea³rico e uma estratanãgia para explicar o comportamento do gelo puro e dopado.

“Segundo esse modelo”, explicam os cientistas, “uma vez que uma impureza éintroduzida em um estado inicial desordenado de baixa temperatura de desequila­brio, 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 estãona frente ou atrás da impureza. Assim, ao final do processo, apenas uma fila de soldados dentro do pelotão seráordenada. " Este processo altamente ata­pico tem muitas das caracteri­sticas que podem explicar o ini­cio lento e incompleto da ordem ferroelanãtrica em gelo dopado real.

"Embora o estudo se restrinja, por enquanto, ao gelo a granel", concluem Tosatti e Laio, "o mecanismo destacado provavelmente se estendera¡ a ssuperfÍcies de gelo, onde cadeias de pra³tons ordenados podem nuclear em baixas temperaturas, explicando uma pequena quantidade conhecida de ferroelanãtrico local polarização, fena´meno também citado como possivelmente relevante para a aglomeração departículas de gelo no espaço interestelar. "