Embora quase todo o gelo encontrado na Terra tenha uma estrutura hexagonal, sabe-se que existem pelo menos 17 tipos de gelo, cada um com um arranjo molecular diferente. A maioria dessas novas variantes, no entanto, exige altas pressões e ambientes com temperatura controlada para se formar, dificultando o estudo direto. Uma equipe de pesquisadores na China agora usou uma técnica de potencial de rede neural de primeiro princípio para discriminar entre várias fases da água de alta pressão. Suas descobertas aumentam nossa compreensão dos mecanismos de transferência de prótons envolvidos quando essas fases se derretem e podem ser importantes para a ciência planetária, bem como para a física e a química fundamentais.
A água é única na formação de uma ampla variedade de diferentes estruturas de gelo cristalino e amorfo. Seu comportamento incomum no estado congelado decorre em parte das fracas ligações intermoleculares entre seus dois átomos de hidrogênio, que são separados por um único átomo de oxigênio.
Uma das formas alternativas mais estudadas de gelo é conhecida como gelo VII. Essa fase exótica de cristal cúbico (bcc), centrada no corpo, também é conhecida como “gelo quente” e pode se formar em temperaturas ambientes sob pressões acima de 3 GPa (cerca de 30.000 vezes a pressão atmosférica ao nível do mar). Foi teorizado que o gelo nesta forma existe em zonas frias de subducção dentro da crosta terrestre e na lua gelada de Saturno, Titã.
Outra nova fase do gelo, conhecida como gelo superiônico ou gelo XVIII, existe a temperaturas e pressões ainda mais altas de 1000 kelvin e 40 GPa. Essa forma de água congelada contém íons hidrogênio líquidos, ou seja, prótons, que rapidamente se difundem através de uma estrutura sólida de átomos de oxigênio. O gelo superiônico poderia constituir uma grande fração do interior dos planetas Urano e Netuno, com os prótons de rápida difusão ajudando a gerar os campos magnéticos fortes e complexos característicos desses planetas “gigantes do gelo”.
Gelo VII em gelo superiônico
Em 2005, os pesquisadores confirmaram experimentalmente que o gelo VII pode se transformar em gelo superiônico em torno de 47 GPa e 1000 K. Eles também sugeriram que a transformação ocorre através de uma forma “dinâmica” de gelo VII, na qual os prótons são mais desordenados do que no gelo convencional VII, embora ainda sejam mais localizados do que no gelo superiônico. Essa transição, no entanto, mostrou-se difícil de simular usando cálculos ab initio tradicionais e métodos de modelagem molecular de campo de força. Isso ocorre porque os métodos ab initio são normalmente restritos a curtos períodos de tempo e simulações relativamente pequenas de supercélulas, enquanto as técnicas baseadas no campo de força não podem resolver a quebra de ligações químicas associada à difusão de prótons no gelo dinâmico VII.
Xin-Zheng Li, da Universidade de Pequim, em Pequim, e colegas acreditam que agora superaram esse problema aplicando uma técnica de modelagem alternativa baseada no potencial da rede neural. Seu modelo usou um pacote popular de aprendizado profundo (o kit DeePMD) para criar simulações em larga escala que são tão precisas quanto os cálculos da teoria funcional da densidade (DFT) e requerem aproximadamente a mesma quantidade de tempo e energia de computação.
Os resultados dessas simulações permitiram aos pesquisadores explorar a natureza das fases da água de alta pressão em nível atômico. Eles descobriram que características dinâmicas, como o movimento difusivo dos átomos de hidrogênio e oxigênio, são indispensáveis para distinguir entre várias fases sutis e “não triviais” do gelo.
Diagrama de fase detalhado
No gelo dinâmico VII, por exemplo, a equipe de Li identificou duas fases sutis, que apelidaram de gelo dinâmico VII T e gelo dinâmico VII R. O primeiro incorpora movimento local e transferência transversal de prótons, enquanto o último também é responsável por sua transferência rotacional. Eles também interpretaram a fase superiônica como envolvendo o derretimento não trivial do gelo VII a pressões acima de 40 GPa.
De acordo com Li, a transição do gelo VII para o gelo superiônico pode ser entendida como ocorrendo quando os átomos de oxigênio e hidrogênio escapam simultaneamente dos locais de cristal do gelo VII a pressões moderadas, assim como a estrutura sólida se quebra repentinamente. Em pressões mais altas (acima de 40 GPa), os átomos de hidrogênio derretem primeiro, seguidos pelos átomos de oxigênio.
Com base nesses resultados, os pesquisadores elaboraram um diagrama de fases detalhado (veja a imagem acima), que eles dizem ser útil para entender como a água se comporta sob altas pressões. “O método para detalhar esse diagrama pode ser estendido a outros materiais – mesmo aqueles que são considerados relativamente bem entendidos”, diz Li ao Physics World.
Publicado em 07/07/2020 11h50
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