Uma nova pesquisa envolvendo cientistas do Laborata³rio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) mostra que a águapode permanecer la­quida em um estado metaesta¡vel durante a transição do la­quido para uma forma densa de gelo em pressaµes mais altas do que as medidas anteriormente.

agua em condições extremas tem atraa­do atenção recente por causa de seu diagrama de fase complexo, incluindo fases de gelo superia´nico com propriedades exa³ticas que existem em altas pressaµes e densidades. Atéo momento, 20 fases únicas de gelo cristalino foram encontradas naturalmente na Terra ou em laboratório. A águatambém exibe fena´menos metaesta¡veis ​​bizarros quando comprimida ou resfriada muito rapidamente, o que atraiu o interesse de fa­sicos em todo o mundo por muitos anos.

"Se a águafor comprimida muito rapidamente, ela permanecera¡ la­quida em um estado metaesta¡vel atéfinalmente se cristalizar em gelo VII a uma pressão mais alta do que o esperado", disse Michelle Marshall, pesquisadora do Laborata³rio de Energia Laser (LLE) da Universidade de Rochester, ex-pa³s-doutorado do LLNL e principal autor do estudo publicado na Physical Review Letters .

O gelo VII éo polimorfo esta¡vel da águaa  temperatura ambiente e a pressaµes superiores a ∼2 GPa (mais de 19.000 atmosferas). Recentemente, o gelo VII foi encontrado naturalmente na Terra pela primeira vez como inclusaµes em diamantes originados nas profundezas do manto. Pode existem dentro das luas geladas de Jaºpiter e em mundos aqua¡ticos além do nosso sistema solar.

A nova pesquisa mostrou como a águapode permanecer la­quida em um estado metaesta¡vel ao passar pela transição la­quido-gelo-VII a pressaµes mais altas do que as medidas anteriormente. Trabalhos experimentais anteriores na gigantesca instalação Z de energia pulsada mostraram que a águacomprimida se transforma em gelo VII a 7 GPa (69.000 atmosferas) quando a águaécomprimida por rampa ao longo de centenas de nanossegundos. Em vez disso, os novos experimentos passaram a usar lasers de alta potaªncia nas Instalações de Laser Omega para comprimir águaem escalas de tempo ainda mais curtas (nanossegundos).

Assim como no trabalho LLNL anterior com ouro (Au) e platina (Pt), a coisa mais difa­cil écomprimir a águasuavemente o suficiente para evitar a formação de uma onda de choque que arruinaria o experimento (isto anã, realizar uma compressão de rampa sem choque). Como a águaémuito mais compressa­vel do que metais como Au e Pt, a criação de uma onda de compressão em rampa em uma camada de águade espessura micromanãtrica requer o aumento da carga de pressão em uma taxa muito mais lenta.

"Mesmo que as pressaµes que alcana§amos parea§am muito modestas em comparação com outros experimentos de compressão dina¢mica ultrarrápida movida a laser, esses experimentos extremamente difa­ceis estãorealmente 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 águapode permanecer la­quida atépelo 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 águapode permanecer la­quida a pressaµes pelo menos 3,5 vezes maiores do que o esperado com base no diagrama de fase de equila­brio", disse Marshall. "a‰ muito legal pensar que estamos comprimindo tão rápido que a águanão tem tempo de cristalizar, então ela permanece la­quida."

"Estamos na fronteira da ciência ultrarrápida experimental", disse Marshall, "e foi a³timo colaborar com nossos colegas de teoria e simulação para obter uma imagem mais detalhada do que estava acontecendo. a‰ nota¡vel que os mais recentes avanços teóricos e numanãricos agora fornecem uma compreensão detalhada dos fena´menos observados. Isso pode ter implicações para a nossa compreensão geral das transformações de fase em condições extremas . "

Este trabalho éparte de um esfora§o mais amplo para entender a cinanãtica de transição de fase em materiais comprimidos dinamicamente. A natureza uba­qua da águae seu diagrama de fase complexo tornam a transição de fase la­quido-gelo-VII um banco de ensaio interessante para modelagem cinanãtica de transição de fase. SAMSA, um modelo de cinanãtica desenvolvido por LLNL, fornece uma compreensão detalhada dos resultados experimentais enquanto se baseia na imagem fundamentalmente simples de nucleação homogaªnea usando a teoria de nucleação cla¡ssica.

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 Laborata³rio, como manufatura avana§ada e impressão 3D. Estados metaesta¡veis ​​e cristalização complexa de águatambém são fundamentais para a ciência atmosfanãrica e, portanto, para a segurança climática.