Tecnologia Científica

Água exibindo fenômenos metaestáveis ​​bizarros quando comprimida ou resfriada rapidamente
Água em condições extremas tem atraído atenção recente por causa de seu diagrama de fase complexo, incluindo fases de gelo superiônico com propriedades exóticas que existem em altas pressões e densidades.
Por Lawrence Livermore National Laboratory - 30/09/2021


Alvos de células de água para os experimentos Omega. A água é injetada na célula usando os tubos de enchimento inseridos na parte superior. Crédito: Carol Davis / LLNL

Uma nova pesquisa envolvendo cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) mostra que a água pode permanecer líquida em um estado metaestável durante a transição do líquido para uma forma densa de gelo em pressões mais altas do que as medidas anteriormente.

Água em condições extremas tem atraído atenção recente por causa de seu diagrama de fase complexo, incluindo fases de gelo superiônico com propriedades exóticas que existem em altas pressões e densidades. Até o momento, 20 fases únicas de gelo cristalino foram encontradas naturalmente na Terra ou em laboratório. A água também exibe fenômenos metaestáveis ​​bizarros quando comprimida ou resfriada muito rapidamente, o que atraiu o interesse de físicos em todo o mundo por muitos anos.

"Se a água for comprimida muito rapidamente, ela permanecerá líquida em um estado metaestável até finalmente se cristalizar em gelo VII a uma pressão mais alta do que o esperado", disse Michelle Marshall, pesquisadora do Laboratório de Energia Laser (LLE) da Universidade de Rochester, ex-pós-doutorado do LLNL e principal autor do estudo publicado na Physical Review Letters .

O gelo VII é o polimorfo estável da água à temperatura ambiente e a pressões superiores a ∼2 GPa (mais de 19.000 atmosferas). Recentemente, o gelo VII foi encontrado naturalmente na Terra pela primeira vez como inclusões em diamantes originados nas profundezas do manto. Pode existem dentro das luas geladas de Júpiter e em mundos aquáticos além do nosso sistema solar.

A nova pesquisa mostrou como a água pode permanecer líquida em um estado metaestável ao passar pela transição líquido-gelo-VII a pressões mais altas do que as medidas anteriormente. Trabalhos experimentais anteriores na gigantesca instalação Z de energia pulsada mostraram que a água comprimida se transforma em gelo VII a 7 GPa (69.000 atmosferas) quando a água é comprimida por rampa ao longo de centenas de nanossegundos. Em vez disso, os novos experimentos passaram a usar lasers de alta potência nas Instalações de Laser Omega para comprimir água em escalas de tempo ainda mais curtas (nanossegundos).

Imagem integrada no tempo de um laser disparado nas Instalações de Laser
Omega para estudar a transição da fase de líquido para gelo VII em água
comprimida por rampa. Crédito: Eugene Kowaluk / LLE

Assim como no trabalho LLNL anterior com ouro (Au) e platina (Pt), a coisa mais difícil é comprimir a água suavemente o suficiente para evitar a formação de uma onda de choque que arruinaria o experimento (isto é, realizar uma compressão de rampa sem choque). Como a água é muito mais compressível do que metais como Au e Pt, a criação de uma onda de compressão em rampa em uma camada de água de espessura micrométrica requer o aumento da carga de pressão em uma taxa muito mais lenta.
 
"Mesmo que as pressões que alcançamos pareçam muito modestas em comparação com outros experimentos de compressão dinâmica ultrarrápida movida a laser, esses experimentos extremamente difíceis estão realmente na fronteira do que podemos fazer com lasers gigantes, e esse foi um desafio emocionante", disse o cientista do LLNL e coautor Marius Millot.

Os novos dados revelam que a água pode permanecer líquida até pelo menos 8-9 GPa (79.000-89.000 atmosferas) antes de se cristalizar em gelo VII: a pressão de congelamento aumenta com a taxa de compressão.

"Isso significa que a água pode permanecer líquida a pressões pelo menos 3,5 vezes maiores do que o esperado com base no diagrama de fase de equilíbrio", disse Marshall. "É muito legal pensar que estamos comprimindo tão rápido que a água não tem tempo de cristalizar, então ela permanece líquida."

"Estamos na fronteira da ciência ultrarrápida experimental", disse Marshall, "e foi ótimo colaborar com nossos colegas de teoria e simulação para obter uma imagem mais detalhada do que estava acontecendo. É notável que os mais recentes avanços teóricos e numéricos agora fornecem uma compreensão detalhada dos fenômenos observados. Isso pode ter implicações para a nossa compreensão geral das transformações de fase em condições extremas . "

Este trabalho é parte de um esforço mais amplo para entender a cinética de transição de fase em materiais comprimidos dinamicamente. A natureza ubíqua da água e seu diagrama de fase complexo tornam a transição de fase líquido-gelo-VII um banco de ensaio interessante para modelagem cinética de transição de fase. SAMSA, um modelo de cinética desenvolvido por LLNL, fornece uma compreensão detalhada dos resultados experimentais enquanto se baseia na imagem fundamentalmente simples de nucleação homogênea usando a teoria de nucleação clássica.

Em termos gerais, este trabalho ajuda a melhorar os modelos e a compreensão dos materiais, o que pode ter implicações interessantes para outras áreas-chave de pesquisa no Laboratório, como manufatura avançada e impressão 3D. Estados metaestáveis ​​e cristalização complexa de água também são fundamentais para a ciência atmosférica e, portanto, para a segurança climática.

 

.
.

Leia mais a seguir