Conforme a água congela em gelo, as moléculas de água em movimento livre param de se mover repentinamente e começam a formar cristais de gelo com seus vizinhos - mas, ironicamente, elas precisam de um pouco de calor para fazer isso, descobriram recentemente os cientistas.

Os cientistas usaram feixes de átomos de hélio (linhas azuis) para estudar o movimento das moléculas de água (bolas vermelhas e brancas) durante a formação de gelo. Crédito da imagem: Anton Tamtögl da Graz University of Technology

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Sim, você leu certo: você realmente precisa de um pouco de calor extra para congelar a água em gelo. Isso é de acordo com um novo estudo, publicado terça-feira (25 de maio) na revista Nature Communications, que focou no movimento de moléculas individuais de água depositadas em uma superfície gelada de grafeno. A equipe de pesquisa usou uma técnica chamada hélio spin-echo, desenvolvida pela primeira vez na Universidade de Cambridge, que envolve disparar um feixe de átomos de hélio nas moléculas de água e, em seguida, rastrear como esses átomos de hélio se espalham assim que colidem com o gelo em formação. 

A técnica funciona de forma semelhante aos detectores de radar que usam ondas de rádio para determinar a velocidade com que um carro está passando pela rodovia, disse o primeiro autor Anton Tamtögl, um pesquisador de pós-doutorado no Instituto de Física Experimental da Universidade de Tecnologia de Graz, na Áustria. "Isso é mais como uma armadilha de radar para moléculas, em escala atômica".

O método não apenas permitiu aos pesquisadores coletar dados de cada átomo diminuto em seus experimentos, mas também os ajudou a registrar o estágio inicial da formação de gelo, conhecido como "nucleação", quando as moléculas de água começam a se aglutinar em gelo. A nucleação ocorre em velocidades alucinantes, em uma fração de bilionésimo de segundo e, como resultado, muitos estudos de formação de gelo se concentram no período de tempo logo após a nucleação, quando as manchas de gelo já se formaram e começam a se fundir em uma espécie de película espessa, disse Tamtögl.

Por exemplo, estudos que dependem de microscópios convencionais não conseguem capturar o que ocorre no início da nucleação, porque os instrumentos não são capazes de capturar imagens com rapidez suficiente para acompanhar as velozes moléculas de água, disse ele. Os cientistas às vezes diminuem esse movimento molecular aplicando nitrogênio líquido em seus experimentos, baixando a temperatura para cerca de menos 418 graus Fahrenheit (menos 250 graus Celsius), mas se você quiser observar o congelamento do gelo em temperaturas mais quentes, "então você precisa usar spin-eco", disse Tamtögl. Em seus próprios experimentos, a equipe resfriou a superfície de grafeno entre menos 279 F e menos 225 F (menos 173 C a menos 143 C). 

Mas quando a equipe aplicou hélio spin-eco a moléculas de água depositadas no grafeno, eles descobriram algo contra-intuitivo. 

"O que nos surpreendeu foi a assinatura que tínhamos da interação repulsiva, das moléculas de água 'não gostando umas das outras'", disse Tamtögl. Essencialmente, conforme a equipe colocava água na superfície do grafeno, as moléculas pareciam se repelir no início, mantendo um certo grau de distância.

A equipe usou hélio spin-echo, mostrado aqui, para executar seus experimentos com moléculas de água e grafeno resfriado. Crédito da imagem: Anton Tamtögl da Graz University of Technology

"Eles tiveram que superar essa barreira antes que pudessem formar as ilhas" de gelo na superfície do grafeno, disse ele. Para entender melhor a natureza dessa força repulsiva e como as moléculas a superaram, a equipe gerou modelos computacionais para mapear as interações das moléculas de água em diferentes configurações.

Esses modelos revelaram que, ao serem colocadas sobre o grafeno frio, as moléculas de água se orientam todas na mesma direção, com seus dois átomos de hidrogênio apontados para baixo; os átomos de hidrogênio em uma molécula de água se destacam do átomo central de oxigênio como duas orelhas de rato. Essas moléculas de água se aglomeram na superfície do grafeno, mas devido à sua orientação, algumas moléculas de espaço vazio ainda persistem entre elas. 

Para se unir em cristais de gelo, as moléculas devem se mover um pouquinho mais perto umas das outras e sair de sua orientação uniforme. "É isso que forma essa barreira, onde custará energia" para agrupar em núcleo, disse Tamtögl. 

Ao adicionar mais energia ao sistema na forma de calor, a equipe descobriu que poderia empurrar as moléculas de água em direção umas às outras e permitir que elas se reorientassem e se nucleassem, finalmente formando gelo. Adicionar mais moléculas de água ao sistema também ajudou a superar a barreira de energia, à medida que o sistema se tornava cada vez mais cheio e as moléculas se aproximavam umas das outras, disse Tamtögl.

Todas essas interações ocorrem em escalas de tempo incrivelmente curtas, então essa breve luta para superar a barreira de energia passa rapidamente.

Tamtögl e seus colegas planejam estudar se a nucleação do gelo se desdobra de forma semelhante em superfícies diferentes. Por exemplo, o chamado "grafeno branco", também conhecido como nitreto de boro hexagonal, compartilha uma estrutura semelhante ao grafeno normal, mas forma ligações mais fortes com as moléculas de água, então a nucleação pode se desdobrar mais lentamente nesse tipo de superfície, disse ele. 

De forma mais ampla, aprender exatamente como o gelo se forma seria útil em muitas aplicações científicas. Por exemplo, com conhecimento de grão fino da formação de gelo, os cientistas poderiam potencialmente melhorar as tecnologias destinadas a evitar que os equipamentos aeronáuticos, turbinas eólicas e torres de comunicação congelassem, escreveram os autores em seu artigo. O gelo aparece nos grãos de poeira cósmica e na atmosfera da Terra e, claro, nas geleiras; portanto, desvendar os fundamentos da física do gelo poderia ter uma relevância de longo alcance na pesquisa. 

"A água é uma molécula onipresente, certo? Mas parece que ainda há muito que não entendemos em detalhes, embora seja uma molécula simples", disse Tamtögl. "Ainda há muito mais a ser aprendido."

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Referência:

 LANESE, Nicoletta. New study turns our understanding of ice upside down. Live Science, 25 mai. 2021. Disponível em: < https://www.livescience.com/ice-formation-requires-some-heat.html >. Acesso em: 26, mai. 2021.