Gelo amorfo no Universo pode conter cristais minúsculos, mostra estudo

O gelo mais comum do Universo pode não ser tão “sem forma”

A água congelada na escuridão do espaço parece não se comportar exatamente como se imaginava.

Um novo trabalho de pesquisa, combinando simulações em computador e experimentos, investigou a forma mais comum que a água assume no Universo e concluiu que ela não é tão desestruturada quanto os cientistas acreditavam. Em vez disso, padrões repetidos - isto é, cristais - com apenas alguns nanômetros de largura provavelmente ficam embutidos em meio a um emaranhado congelado de moléculas.

Como se considerava que o espaço era frio demais para que cristais de gelo tivessem energia suficiente para se formar, o achado chamou bastante atenção.

"Agora temos uma boa ideia de como é, em nível atômico, a forma mais comum de gelo no Universo", diz o físico Michael Benedict Davies, do University College London e da University of Cambridge, no Reino Unido.

"Isso é importante porque o gelo participa de muitos processos cosmológicos, por exemplo na forma como os planetas se formam, como as galáxias evoluem e como a matéria se desloca pelo Universo."

Por que a água é tão estranha quando congela

Não tem como fugir disso: apesar de ser indispensável à vida na Terra, a água é uma substância bem peculiar. Ela não se comporta como outros líquidos, e os cientistas já identificaram pelo menos cerca de 20 fases distintas que ela pode assumir em diferentes condições de congelamento.

De modo geral, o gelo de água se encaixa em duas grandes categorias. O gelo cristalino é o que existe aqui na Terra, em que os átomos se organizam numa rede cristalina bem ordenada. Já no espaço, pensava-se que o gelo deveria ser amorfo: um agregado congelado, com átomos amontoados de forma desordenada e sem um padrão definido.

Ainda assim, algumas análises indicavam que certas variedades de gelo amorfo poderiam ser parcialmente cristalinas. Por isso, Davies e colegas recorreram a simulações e a experimentos para investigar a questão.

Simulações: congelamento em ritmos diferentes

Nas simulações, recipientes virtuais contendo moléculas de água foram resfriados até temperaturas em torno de -120 graus Celsius (-184 graus Fahrenheit), usando diferentes velocidades de congelamento. A taxa de congelamento altera o sólido resultante, produzindo proporções variadas de gelo amorfo e gelo cristalino - com uma parte do material organizada em grades regulares e outra parte não.

Em estudos anteriores, pesquisadores lançaram raios X sobre gelo amorfo para inferir sua estrutura observando como os feixes se espalham ao atravessar o interior do material. Ao comparar seus resultados com esse tipo de experimento, a equipe concluiu que a proporção que melhor reproduz as observações é de aproximadamente 20% de gelo cristalino e 80% de gelo amorfo.

Experimentos: como reproduzir o gelo amorfo “do espaço”

Na etapa experimental, os pesquisadores produziram gelo amorfo por caminhos diferentes. No espaço, a água não passa pela fase líquida; em vez disso, ela congela diretamente do vapor ao se depositar sobre superfícies, como rochas. Para imitar esse processo, a equipe depositou vapor de água sobre uma superfície fria para que ele congelasse.

Além disso, eles trituraram gelo em temperaturas extremamente baixas para criar uma forma de gelo amorfo de maior densidade. Em seguida, aqueceram cada amostra até o ponto em que ela teria energia suficiente para formar cristais.

Sabe-se que o gelo pode "lembrar" sua estrutura anterior; mais especificamente, a ordem em que seus átomos de hidrogênio estavam organizados quando ele se encontrava no estado cristalino. Essa organização pode permanecer mesmo quando as condições mudam.

Ao aquecer as duas amostras, os pesquisadores observaram diferenças estruturais que apontam que o gelo amorfo contém cristais: se não contivesse, ele permaneceria totalmente amorfo.

Implicações para a cosmologia e para materiais amorfos

Embora os testes tenham sido feitos na Terra, os autores afirmam que os resultados servem como evidência de que o gelo no espaço pode, de fato, abrigar minúsculas regiões cristalizadas. Isso afeta a compreensão não só da água no espaço, mas também de materiais amorfos de maneira geral.

"O gelo na Terra é uma curiosidade cosmológica por causa das nossas temperaturas mais altas. Você consegue ver sua natureza ordenada na simetria de um floco de neve. Já o gelo no restante do Universo tem sido considerado um retrato instantâneo da água líquida - isto é, um arranjo desordenado fixado no lugar. Nossas descobertas mostram que isso não é totalmente verdade", diz o químico-físico Christoph Salzmann, do University College London.

"Nossos resultados também levantam questões sobre materiais amorfos em geral. Esses materiais têm usos importantes em muita tecnologia avançada. Por exemplo, fibras de vidro que transportam dados por longas distâncias precisam ser amorfas, ou desordenadas, para funcionar. Se elas contiverem cristais minúsculos e nós conseguirmos removê-los, isso melhorará o desempenho."

A pesquisa foi publicada na Physical Review B.

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