O estado sólido da água está se revelando muito menos simples do que parece
O gelo pode parecer familiar em uma forma de gelo do congelador ou num lago de inverno, mas os físicos estão cada vez mais tratando-o como um dos materiais mais surpreendentes da natureza. Segundo uma nova reportagem da Quanta Magazine, cientistas identificaram três novos tipos de gelo no último ano, incluindo duas das fases de gelo mais complexas já observadas. As descobertas ampliam um catálogo em crescimento que já inclui mais de 20 fases conhecidas de gelo cristalino.
A questão não é apenas que existam muitos tipos de gelo. É que a água parece capaz de se organizar em uma extraordinária variedade de estruturas sólidas sob diferentes condições. Pesquisadores agora dizem que simulações de computador previram dezenas de milhares de formas possíveis de gelo. Isso não significa que todas serão encontradas no laboratório ou na natureza, mas sugere que os cientistas vinham trabalhando com um espaço de fases muito mais rico do que as suposições antigas permitiam.
Por que o gelo continua surpreendendo os físicos
A razão está na geometria da própria água. A Quanta descreve cada molécula de água como um átomo de oxigênio ligado a dois átomos de hidrogênio, com dois pares de elétrons livres estendendo a forma efetiva da molécula para algo com quatro braços separados por forças eletromagnéticas. Essa estrutura dá à água uma flexibilidade incomum na forma como pode se organizar em arranjos cristalinos repetitivos.
No gelo comum, essas moléculas formam uma estrutura hexagonal espaçosa. Esse arranjo aberto faz com que o gelo comum seja menos denso que a água líquida, razão pela qual o gelo flutua e os lagos congelam de cima para baixo. Mas sob pressão, a água pode se comprimir em padrões muito diferentes. Mude a temperatura, mude a pressão ou mude a rapidez com que essas condições são aplicadas, e as moléculas podem se acomodar em novos estados cristalinos.
Marius Millot, do Lawrence Livermore National Laboratory, disse à Quanta que até mudanças sutis na forma como a água é comprimida podem revelar comportamentos completamente inesperados. Esse comentário ajuda a explicar por que o campo acelerou. À medida que pesquisadores melhoram técnicas experimentais e abandonam suposições antigas, estão descobrindo estruturas antes ocultas pela dificuldade de produzi-las ou detectá-las.
Três formas novas em um ano
A reportagem diz que três novos tipos de gelo foram descobertos no último ano. Duas delas estão entre as fases mais complexas já vistas. Chris Pickard, da Universidade de Cambridge, descreveu o período atual como notável e disse que os pesquisadores estão encontrando muitas mais dessas estruturas.
Esse ritmo importa porque cada nova fase testa e refina previsões teóricas. A água há muito é notória por se comportar de forma estranha em comparação com materiais mais simples. À medida que a lista de formas de gelo verificadas cresce, os físicos ganham uma maneira melhor de testar se suas simulações capturam as verdadeiras possibilidades de organização molecular em condições extremas.
O inventário em expansão também muda o tom do campo. Em vez de tratar fases incomuns de gelo como curiosidades raras, cientistas estão cada vez mais vendo-as como parte de uma paisagem mais ampla que ainda está apenas parcialmente mapeada. Se simulações que apontam para enormes números de formas possíveis estiverem mesmo aproximadamente certas, as descobertas atuais podem representar uma fase inicial, não um ponto final.
Além da Terra, gelo exótico pode ser comum
Uma razão pela qual esses achados importam é que gelo incomum na Terra pode não ser incomum em outros lugares. A Quanta observa que gelo exótico pode existir em ambientes que vão de caudas de cometas frias e amorfas aos interiores quentes e esmagadores de planetas gelados. Em outras palavras, o estudo em laboratório das fases extremas da água também é uma forma de pensar sobre interiores planetários e condições fora da Terra.
Isso amplia a importância do que, de outra forma, pareceria uma história de nicho sobre ciência dos materiais. A água é uma das substâncias mais familiares do cotidiano, mas seu comportamento sob condições alienígenas pode ajudar pesquisadores a entender lugares fisicamente inacessíveis. Quanto mais completa se torna o mapa das possíveis fases do gelo, melhor os cientistas podem interpretar o que acontece dentro de mundos distantes onde pressão e temperatura se combinam de maneiras incomuns.
A expressão “space oddity” da reportagem da Quanta captura bem esse cruzamento. O gelo não é apenas um material doméstico ou mesmo apenas geofísico. Ele é cada vez mais um material planetário, cujas formas estranhas podem fazer parte da arquitetura do sistema solar.
Um campo aberto por métodos melhores
A história também mostra o quanto a descoberta depende do método. A reportagem atribui o progresso recente a técnicas experimentais aprimoradas e à disposição de abandonar suposições ultrapassadas. A água sempre teve a mesma estrutura molecular. O que mudou foi a capacidade dos cientistas de levá-la a novos regimes e identificar o que se formou ali.
É assim que campos científicos maduros costumam avançar. Um material que todos acham conhecer volta a parecer desconhecido quando as ferramentas melhoram. Neste caso, os pesquisadores estão descobrindo que a água sob pressão não apenas se comporta de forma diferente em grau. Ela pode se organizar de forma diferente em espécie.
As descobertas, portanto, representam mais do que acréscimos a um catálogo. Elas marcam uma mudança em quão aberto o campo da física do gelo agora parece ser. A imagem do gelo como uma substância única ou em grande parte já resolvida dá lugar a uma família ampla de possibilidades cristalinas.
O significado maior de uma substância simples
Há algo cientificamente útil e filosoficamente marcante na ideia de que uma das moléculas mais conhecidas da Terra ainda esteja produzindo surpresas fundamentais. A água continua central para a química, o clima, a biologia e a ciência planetária. Ainda assim, suas formas sólidas continuam sendo descobertas a um ritmo que os próprios especialistas consideram notável.
É por isso que as descobertas mais recentes importam além dos detalhes técnicos imediatos. Elas mostram que, mesmo em materiais familiares, a estrutura pode ficar escondida à vista de todos até que as condições e os instrumentos certos a revelem. Com três novos tipos de gelo relatados no último ano, e simulações sugerindo que muito mais podem existir, os físicos não estão apenas refinando a ciência do gelo. Estão reabri-la.
Este artigo é baseado na cobertura da Quanta Magazine. Leia o artigo original.
Originally published on quantamagazine.org