O gelo amorfo no espaço pode conter cristais no Universo

A água congelada no negrume do espaço não parece comportar-se da forma que se imaginava.

Um novo trabalho de investigação, que combinou simulações computacionais e experiências para explorar a forma mais comum que a água assume no Universo, concluiu que esse gelo não é tão desprovido de estrutura como os cientistas supunham. Em vez disso, padrões repetidos - isto é, cristais - com apenas alguns nanómetros de dimensão deverão estar incrustados num conjunto, de resto, congelado e desordenado de moléculas.

Como se considerava que o espaço é demasiado frio para que os cristais de gelo tenham energia para se formarem, este resultado surge como uma surpresa.

"Temos agora uma boa ideia de como é, ao nível atómico, a forma mais comum de gelo no Universo", afirma o físico Michael Benedict Davies, do University College de Londres e da Universidade de Cambridge, no Reino Unido.

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

O gelo mais comum no Universo e a estranheza da água

Não há volta a dar: embora seja essencial para a vida na Terra, a água é uma substância invulgar. Não se comporta como outros líquidos e os cientistas já identificaram pelo menos 20 fases distintas que pode assumir em diferentes condições de congelação.

De um modo geral, o gelo de água enquadra-se em duas grandes categorias. O gelo cristalino é o que existe na Terra, no qual os átomos se organizam numa rede cristalina regular. Já no espaço, pensava-se que o gelo teria de ser amorfo: um aglomerado congelado de átomos, todos agrupados de forma caótica e em orientações variadas.

Ainda assim, algumas análises indicavam que, pelo menos em certos casos, o gelo amorfo poderia ser parcialmente cristalino. Foi por isso que Davies e os seus colegas recorreram a simulações por computador e a experiências laboratoriais para esclarecer a questão.

Simulações e experiências sobre o gelo amorfo no espaço

Nas simulações, os investigadores congelaram recipientes virtuais contendo moléculas de água até cerca de -120 degrees Celsius (-184 degrees Fahrenheit), usando diferentes velocidades de arrefecimento. Ritmos de congelação distintos originam sólidos com proporções variáveis de gelo amorfo e de gelo cristalino: em parte do material, o gelo alinha-se em grelhas ordenadas; noutra parte, não.

Em estudos anteriores, foram usados raios X sobre gelo amorfo para inferir a sua estrutura a partir da forma como os feixes se espalham no interior do material. Ao comparar os seus resultados com essas medições, a equipa verificou que a correspondência mais consistente apontava para cerca de 20% de componente cristalina e 80% de componente amorfa.

Nas experiências, os cientistas produziram gelo amorfo por vias diferentes. No espaço, a água não passa por uma fase líquida; em vez disso, congela directamente a partir do vapor ao depositar-se em superfícies como rochas. Para reproduzir esse cenário, os investigadores fizeram assentar vapor de água sobre uma superfície fria, de modo a solidificar.

Além disso, esmagaram gelo a temperaturas extremamente baixas para obter uma forma de gelo amorfo de maior densidade. Depois, aqueceram cada um dos gelos até ao ponto em que passariam a ter energia suficiente para formar cristais.

Sabe-se que o gelo pode "recordar" a sua estrutura anterior; mais concretamente, a ordem segundo a qual os seus átomos de hidrogénio se organizaram quando esteve num estado cristalino. Essa ordenação pode manter-se mesmo quando as condições mudam.

Ao aquecerem os dois tipos de gelo, os investigadores observaram diferenças estruturais que sugerem a presença de cristais no gelo amorfo: se esses cristais não existissem, o material manter-se-ia totalmente amorfo.

Implicações cosmológicas e para materiais amorfos

Embora as experiências tenham sido realizadas na Terra, os autores afirmam que os resultados constituem evidência de que o gelo no espaço poderá, de facto, conter pequenas regiões cristalizadas. Isto tem implicações para compreender não só a água no espaço, mas também os materiais amorfos em geral.

"O gelo na Terra é uma curiosidade cosmológica devido às nossas temperaturas amenas. É possível ver a sua natureza ordenada na simetria de um floco de neve. O gelo no resto do Universo tem sido considerado durante muito tempo um instantâneo de água líquida - isto é, um arranjo desordenado fixado no lugar. Os nossos resultados mostram que isto não é totalmente verdade", afirma o químico-físico Christoph Salzmann, do University College de Londres.

"Os nossos resultados também levantam questões sobre os materiais amorfos em geral. Estes materiais têm utilizações importantes em muita tecnologia avançada. Por exemplo, as fibras de vidro que transportam dados a longas distâncias precisam de ser amorfas, ou desordenadas, para funcionar. Se, afinal, contiverem cristais minúsculos e conseguirmos removê-los, isso irá melhorar o seu desempenho."

A investigação foi publicada na revista Revisão Física B.