Pesquisadores do Departamento de Energia Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico anunciaram uma descoberta. Apesar de se formar em uma treliça perfeitamente hexagonal, o gelo exibe surpreendente flexibilidade e maleabilidade, que explica o aprisionamento frequente de bolhas de gás dentro do gelo. Esses achados são derivados das observações inaugurais de resolução molecular das amostras de gelo em nanoescala congeladas da água líquida, publicadas na revista Comunicações da natureza.
Observamos o gás dissolvido não apenas geramos cavidades em cristais de gelo, mas também migramos, fundem -se com outras bolhas de gás e dissolvam – o comportamento que só é possível devido à natureza incomum da ligação no gelo. Este trabalho abre uma oportunidade totalmente nova para explorar a cristalização de gelo e o comportamento de derretimento em escalas inimagináveis apenas alguns anos atrás.
James de Yoreo, pesquisador principal do estudo e bolsista de Battelle, Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL)
O estudo pode ter consequências significativas para a preservação de amostras de tecido biológico congelado criogenicamente, prevendo a dinâmica do gelo para a segurança da aviação e veículos e compreendendo o movimento das geleiras, entre vários outros domínios de pesquisa.
Houve muitos mistérios sobre gelo. Queremos entender como o gelo tolera imperfeições estruturais no cristal e como as bolhas presas afetam as propriedades mecânicas do cristal. Agora temos uma maneira de entender isso.
Jingshan DU, Autor líder do estudo e cientista de materiais, Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico
O que há de novo com gelo
Ninguém conseguiu observar diretamente as moléculas de água que passavam de líquido para gelo. Isso ocorre porque os métodos empregados pelos cientistas para visualizar átomos individuais requerem condições extremas, como o uso de radiação de alta energia e a eliminação de todo o ar através da vedação a vácuo.
Embora os pesquisadores tenham produzido algumas imagens de gelo no nível molecular, essas imagens não representam os ciclos típicos de congelamento e degelo experimentados na Terra. Em vez disso, eles são criados através de um processo de congelamento flash que ocorre diretamente do vapor para o sólido.
A equipe de pesquisa colocou água líquida entre as membranas finas de carbono, que period o elemento essencial que facilitava esse avanço de imagem. Posteriormente, eles criaram uma nova técnica conhecida como microscopia eletrônica de transmissão de células líquidas criogênicas para monitorar o processo de congelamento.
““As membranas protegem os cristais de gelo do alto vácuo e radiação, permitindo adquirir imagens com informações de nível atômico”Disse du.
A equipe observou a formação de bolhas de gás, seu movimento através da treliça, se fundindo com outras bolhas e sua subsequente dissolução.
O estudo indicou que, quando a água líquida transita para o gelo sólido, os defeitos dentro de sua estrutura cristalina ou a presença de bolhas de gás presas não induzem tensão significativa no cristal de gelo, o que pode levar à fraturação. Ele se ajusta à existência desses defeitos com facilidade notável em comparação com outros sólidos, como metais ou minerais.
As características das ligações químicas da água o tornam excepcionalmente flexível e maleável, mesmo em sua forma de gelo sólido. Essa observação recente, juntamente com o fato essencial de que o gelo é menos denso que a água líquida, constitui propriedades vitais para sustentar a vida na Terra, principalmente em ambientes marinhos.
Os pesquisadores realizaram observações diretas das geometrias e forças que influenciam a formação de cristais de gelo em todas as escalas, incluindo o desenvolvimento de flocos de neve. Embora a neve se origine do vapor de água e não da água líquida, as mesmas forças fundamentais estão em operação.
Os cientistas da PNNL trabalharam em conjunto com pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne e da Universidade de Illinois-Chicago, que haviam empregado aprendizado de máquina para criar um modelo de dinâmica molecular altamente preciso para o gelo. As comparações feitas entre resultados experimentais e previsões de modelos teóricos afirmaram que o gelo é distinto entre os sólidos em sua capacidade de tolerar defeitos, mantendo a integridade de sua estrutura cristalina.
Por que bolhas de ar presas na matéria do gelo
Enquanto a equipe do PNNL investiga a dinâmica do gelo na nanoescala, outros pesquisadores descobrem que as bolhas de ar dentro das geleiras influenciam significativamente seu comportamento. Recentemente, os cientistas demonstraram que as geleiras derretem duas vezes mais rápido quando contêm bolhas, em contraste com o gelo livre de bolhas. Além disso, outros cientistas buscam impedir a formação de gelo em amostras sensíveis de tecido ou em aeronaves durante o voo.
As próximas fases deste estudo envolverão examinar processos de fusão e trabalho com amostras mais complexas, como água contendo substâncias dissolvidas.
Ao lado de Du e Deyoreo, o pesquisador da PNNL Ajay S. Karakoti; Os cientistas Suvo Banik, Henry Chan e Subramanian KRS Sankaranarayanan, do Laboratório Nacional de Argonne; Birk Fritsch e Andreas Hutzler do Instituto Helmholtz Erlangen-Nürnberg para obter energia renovável; E Ying Xia, da Universidade de Washington, também desempenhou um papel na pesquisa.
O estudo recebeu financiamento do Escritório de Ciências do DOE, Ciências Básicas de Energia, Divisão de Ciência e Engenharia de Materiais. As simulações de dinâmica molecular foram financiadas pelos dados, Inteligência synthetice aprendizado de máquina no programa de instalações de usuários científicos, que faz parte do projeto Twin Digital no Argonne Nationwide Laboratory.
Um segmento do estudo foi realizado no Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, uma instalação de usuários científicos da PNNL, bem como na Fundição Molecular e no Centro de Computação Científica da Pesquisa de Energia Nacional, ambas as instalações de usuários apoiadas por DOE, localizadas no Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley.
Por que os cubos de gelo prendem bolhas de ar
Por que os cubos de gelo costumam prender bolhas de ar? Agora sabemos, graças aos pesquisadores do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico, que capturaram as primeiras imagens em nanoescala de cristais de gelo formados a partir de água líquida. Crédito em vídeo: Animação de Sara Levine | Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico.
Referência do diário:
Chan, H., et al. (2025) Imagem de gelo de resolução molecular cristalizada a partir de água líquida por células líquidas criogênicas TEM. Comunicações da natureza. doi.org/10.1038/s41467-025-62451-0