Carnegie Institution

Mistério derretido: H2O revela um novo segredo

		IMAGEM: Um fragmento da estrutura cristalina do novo tipo de gelo — os átomos de oxigênio são representados em azul, os de hidrogênio em rosa; os hidrogênios expulsos de suas moléculas em amarelo – esses últimos parecem ficar localizados nos vazios da estrutura poliédrica do oxigênio, uma das quais é representada pelo sombreado cinza. Anteriormente se acreditava que esses vazios continuavam a existir mesmo após a molécula de água se romper a pressões extremas. Imagem cortesia do Oak Ridge National Laboratory Imagem ampliada e mais informações.

Washington, D.C.— Empregando novas técnicas revolucionárias, uma equipe liderada por Malcolm Guthrie da Carnegie fez uma chocante descoberta sobre como o gelo se comporta sob pressão, modificando ideias que vigiam a quase 50 anos. Suas descobertas podem modificar nossa compreensão sobre como a molécula de água responde a condições encontradas nas profundezas dos planetas e pode ter outras implicações nas ciências de energia. Este trabalho foi publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences.

Quando a água se torna gelo, suas moléculas são reunidas em uma estrutura cristalina através das pontes de hidrogênio. As pontes de hidrogênio são muito versáteis e, em função disto, os cristais de gelo podem apresentar uma chocante diversidade com ao menos 16 tipos de estrutura diferentes.

Em todas essas formas de gelo, a simples molécula de H₂O é o elemento básico de construção. Entretanto, em 1964 foi previsto que, sob pressão suficiente, as pontes de hidrogênio pode se reforçar ao ponto onde elas podem mesmo romper as moléculas. A possibilidade de observar diretamente uma molécula de água dissociada se provou uma isca fascinante para os cientistas e foi objeto de contínuas pesquisas pelos últimos 50 anos. Nos meados da década de 1990, várias equipes, inclusive uma da Carnegie, observou a transição por meio de técnicas de espectroscopia. Porém estas técnicas eram indiretas e somente conseguiam uma parte do quadro.

Um dos métodos preferidos é “ver” diretamente os átomos de hidrogênio – melhor dizendo, os prótons. Isso pode ser feito quicando nêutrons no gelo e medindo cuidadosamente sua dispersão. Porém a aplicação desta técnica em altas pressões para ver a molécula se dissociar simplesmente não era possível até agora. Guthrie explica: “só se consegue chegar a essas pressões extremas se suas amostras de gelo forem realmente pequenas. Infelizmente, isso torna os átomos de hidrogênio muito difíceis de enxergar”.

A Fonte de Espalação de Nêutrons (Spallation Neutron Source = SNS) foi aberta no Laboratório Nacional de Oak Ridge no Tennessee em 2006, para fornecer um novo e extremamente brilhante suprimento de nêutrons. Tendo projetado uma nova classe de ferramentas, otimizadas para explorar esse fluxo sem precedentes de nêutrons, Guthrie e sua equipe – Russell Hemley, Reinhard Boehler e Kuo Li, da Carnegie, juntamente com Chris Tulk, Jamie Molaison e António dos Santos do Laboratório Nacional de Oak Ridge –conseguiram obter os primeiros vislumbres dos próprios átomos de hidrogênio no gelo a pressões sem precedentes, da ordem de 500.000 vezes a pressão atmosférica.

“Os nêutrons nos dizem o que outras técnicas não conseguiam”, diz Hemley, diretor do Laboratório de Geofísica da Carnegie. “Os resultados indicam que a dissociação das moléculas de água segue dois mecanismos diferentes. Algumas moléculas começam a se dissociar a pressões bem mais baixas e por um caminho diferente do previsto no clássico artigo de 1964”.

“Nossos dados pintam um quadro totalmente novo acerca do gelo”, comenta Guthrie. “Os resultados têm não só amplas consequências para a compreensão das ligações na H₂O; as observações também podem apoiar uma teoria anteriormente proposta de que os prótons no gelo do interior dos planetas podem ser móveis, mesmo que o gelo continue sólido”.

E esta surpreendente descoberta pode se provar apenas o início de descobertas científicas. Tulk enfatiza que “conseguir ‘enxergar’ o hidrogênio com nêutrons não é importante só para os estudos do gelo. Isso pode se revelar uma descoberta capaz de mudar todo o jogo na técnica. As aplicações poderiam se estender a sistemas críticos para desafios socialmente críticos, tais como o campo da energia. Por exemplo, a técnica pode levar a uma compreensão melhor de hidratos de clatrato contendo metano e até de materiais para armazenagem de hidrogênio que podem, um dia, abastecer automóveis”.