Maleabilidade do gelo
A recente descoberta de que o gelo gera eletricidade ao ser deformado deixou a comunidade científica de cabelos em pé: Tá certo, o experimento comprovou, mas como é que o gelo pode se curvar sem se quebrar?
Jingshan Du e colegas do Laboratório Nacional do Pacífico Noroeste, nos EUA, se apressaram em descobrir.
O que Du verificou após cuidadosas observações é que, embora o gelo se forme como uma estrutura perfeitamente hexagonal de moléculas de água, essa estrutura é surpreendentemente flexível e maleável, e esta é a verdadeira razão pela qual o gelo tipicamente é repleto de bolhas de gás presas em seu interior.
“Há muitos mistérios sobre o gelo,” comentou o pesquisador. “Queremos entender como o gelo tolera imperfeições estruturais no cristal e como bolhas presas afetam as propriedades mecânicas do cristal. Agora temos uma maneira de entender isso.”
A descoberta dessa maleabilidade inesperada do gelo deverá ter implicações profundas na preservação de amostras de tecido biológico profundamente congelado (criogenia), na previsão do comportamento do gelo para a segurança da aviação e de veículos e na compreensão do movimento das geleiras, exemplifica a equipe.
Filmar a água virando gelo
Por surpreendente que seja, ninguém até agora havia conseguido observar diretamente as moléculas de água passando da fase líquida para a fase de gelo. Isso porque as técnicas utilizadas pelos cientistas para visualizar átomos individuais envolvem condições complicadas, incluindo o uso de radiação de alta energia e a necessidade de ambientes de vácuo. Embora já tenham sido feitas algumas imagens do gelo em escala molecular, esse gelo não reflete os ciclos normais de congelamento e degelo na Terra, sendo gerado pelo congelamento instantâneo, com a água passando diretamente do estado vapor para o estado sólido.
Para evitar esses problemas, a equipe intercalou água líquida entre finas membranas de carbono. “As membranas protegem os cristais de gelo do alto vácuo e da radiação, permitindo-nos obter imagens com informações em nível atômico,” explicou Du. Mas a observação desse sanduíche de gelo exigiu desenvolver uma nova técnica para acompanhar o processo de congelamento, que a equipe chamou de microscopia eletrônica de transmissão de célula líquida criogênica.
As imagens revelaram que, quando a água líquida se transforma em gelo sólido, defeitos em sua estrutura cristalina ou bolhas de gás aprisionadas não causam muita tensão no cristal de gelo, o que poderia causar fraturas. Na verdade, o gelo se adapta à presença do defeito com uma facilidade surpreendente em comparação com outros sólidos, como metais ou minerais. As imagens mostraram a formação de bolhas de gás e, mais importante, mostraram essas bolhas se movendo pela rede, se fundindo com outras bolhas e se dissolvendo.
É a natureza das ligações químicas da água que a tornam extraordinariamente flexível e maleável, mesmo quando ela assume a estrutura de gelo sólido, dizem os cientistas, acrescentando que, combinada com o fato crucial de que o gelo é menos denso do que a água líquida, essa é uma das propriedades que sustentam a vida na Terra, especialmente no mar.
Implicações de longo alcance
A descoberta traz largas implicações, do entendimento do ciclo da água e do clima da Terra até a segurança da aviação.
Por exemplo, os pesquisadores fizeram observações diretas das geometrias e das forças que orientam a formação dos cristais de gelo em todas as escalas, incluindo a formação dos flocos de neve – embora a neve se forme a partir do vapor d’água, e não da água líquida, são as mesmas forças que atuam nos dois casos.
E, embora esta equipe esteja estudando especificamente a dinâmica do gelo em nanoescala, outros pesquisadores estão descobrindo que a presença de bolhas de ar nas geleiras afeta significativamente seu comportamento: Recentemente, cientistas demonstraram que as geleiras derretem mais de duas vezes mais rápido se contiverem bolhas, em comparação com o gelo sem bolhas. Outros cientistas estão tentando evitar a formação de gelo em amostras de tecidos delicados ou em aeronaves em voo.
A equipe agora pretende estudar o derretimento do gelo, observando o fenômeno funcionar ao contrário, e trabalhar com amostras mais complexas, incluindo água com materiais dissolvidos.
Bibliografia:
Artigo: Molecular-resolution imaging of ice crystallized from liquid water by cryogenic liquid-cell TEM
Autores: Jingshan S. Du, Suvo Banik, Henry Chan, Birk Fritsch, Ying Xia, Ajay S. Karakoti, Andreas Hutzler, Subramanian K. R. S. Sankaranarayanan, James J. De Yoreo
Revista: Nature Communications
Vol.: 16, Article number: 8342
DOI: 10.1038/s41467-025-62451-0