A água é sem dúvida a substância mais estranha e fascinante do universo conhecido. Ao contrário de quase qualquer outro material, ele se expande em vez de contrair quando congela, permitindo que o gelo flutue sobre o refrigerante em vez de encolher. … afundar até o fundo. É o solvente universal, o berço da vida, e ainda assim continua a guardar segredos que perturbaram os físicos durante séculos. Mas embora a água líquida seja complexa, o seu primo sólido, o gelo, é um pesadelo termodinâmico.
Pense por um momento nos cubos do seu freezer. Isto é, claro, gelo, mas a sua estrutura não é semelhante à estrutura dos monocristais que se formam nas nuvens de neve, nem à camada congelada que cobre um lago no inverno. E quando a temperatura cai, os cristais de gelo começam uma espécie de montanha-russa estrutural: eles podem crescer e se transformar em fortes prismas hexagonais, tornar-se placas planas ou até mesmo erguer-se como belas colunas gregas.
Por que isso está acontecendo? O que torna um floco de neve uma estrela perfeita e outro um pilar? Este comportamento tem sido um mistério absoluto para os cientistas que tentam entendê-lo.
Quando os primeiros investigadores observaram este fenómeno, lembraram-se imediatamente de uma antiga hipótese proposta no século XIX por um dos pais da física moderna, Michael Faraday. O gelo, mesmo quando o seu ponto de fusão está abaixo do seu ponto de fusão, tem sempre uma camada microscopicamente fina de água líquida na sua superfície. Uma espécie de “pele” molhada e invisível.
Dois séculos de polêmica
Esta suposta “película pré-derretida” poderia explicar muitas coisas, incluindo por que o gelo é escorregadio (uma raridade, já que normalmente não deslizamos em granito ou aço). No entanto, a natureza e mesmo a própria existência desta camada têm sido objecto de intenso e prolongado debate científico.
Na verdade, durante décadas, laboratórios em todo o mundo produziram resultados conflitantes. Algumas experiências afirmaram que existe uma camada de líquido e que também é espessa; outros dizem que é tão bonito que dificilmente se pode dizer que realmente existe. Mas o que é a verdade? Parecia que, pelo menos nesta questão, a física tinha chegado a um beco sem saída. Até agora.
Uma possível solução para o enigma vem das mãos do cientista espanhol Luis McDowell, investigador da Universidade Complutense, que parece ter encontrado a chave que concilia todas estas contradições e põe fim à polémica. Os resultados de sua pesquisa acabam de ser publicados no Journal of Chemical Physics.
O ponto onde tudo coincide
Para desembaraçar este verdadeiro nó górdio, McDowell decidiu não olhar diretamente para o gelo em si, mas concentrar-se no seu diagrama de fases, aquele “mapa” que os físicos usam para aprender como o gelo, a água líquida e o vapor coexistem em função da temperatura e da pressão. E acontece que existe um lugar “mágico” neste mapa, um minúsculo ponto chamado “ponto triplo”, onde três fases são igualmente estáveis e coexistem em perfeito equilíbrio. É uma linha tênue onde a água realmente não “sabe” como se comportar – como um gás, como um líquido ou como um sólido.
Usando modelagem computacional avançada, um pesquisador espanhol conseguiu visualizar o movimento das moléculas na superfície do próprio gelo. E ele notou que um filme realmente apareceu bem no ponto triplo, embora fosse incomumente fino, com apenas um nanômetro de espessura. Isso é um bilionésimo de metro.
E é aqui, nesse ponto invisível, que surge o problema histórico. Na verdade, se as simulações mostram uma camada de líquido quase imperceptível, por que muitos experimentos físicos reais relatam uma película muito mais espessa com muito mais água líquida?
Armadilha de equilíbrio
A originalidade do trabalho de McDowell reside precisamente na sua explicação desta discrepância. Segundo o pesquisador, a confusão histórica decorre do fato de que a maioria dos experimentos são conduzidos inadvertidamente um tanto fora de equilíbrio.
“O equilíbrio é um ponto”, diz McDowell. Você pode estar o mais próximo possível, mas nunca ali mesmo. “Mesmo o menor desvio pode desequilibrá-lo, tornando muito difícil medir essas coisas.”
Seria como tentar equilibrar uma bola bem no topo de uma pirâmide. A menor lufada de ar, a menor vibração irá desalojá-lo. A mesma coisa acontece no laboratório. Ao menor desvio do ponto triplo, as condições mudam drasticamente e a camada de líquido parece engrossar.
O estudo esclarece que o filme líquido tem uma espessura muito limitada perto do ponto de equilíbrio devido às propriedades incomuns de densidade da água. Sob estas condições específicas, o gelo sólido é um estado “energeticamente favorecido” em comparação com a água líquida. Ou seja: a natureza tem que se “fortalecer” para manter essa água em estado líquido sobre uma superfície congelada.
Mas esta descoberta não permanece apenas na teoria molecular. Pelo contrário, McDowell, ao combinar teorias de diversas disciplinas físicas, conseguiu explicar fenômenos macroscópicos, ou seja, aqueles observados a olho nu. Por exemplo, ele pôde ver pequenas gotas de líquido condensando-se neste filme, causando “umedecimento parcial”.
E aqui voltamos aos flocos de neve e às colunas gregas, porque a “montanha-russa” de formas mencionada no início tem origem aqui, nesta camada invisível.
“Esta sequência de transições na forma de cristais de neve, “explica McDowell, “está associada a mudanças na espessura da película derretida que ocorre na superfície do gelo. “Ela exibe transições de fase de superfície, e com cada transição há uma mudança repentina nas propriedades e na taxa de crescimento das superfícies.”
Para entender melhor isso, imagine que eles estão construindo um prédio de tijolos (cristal de gelo). Se o “cimento” (camada líquida) mudar repentinamente suas propriedades e se tornar mais escorregadio ou pegajoso em um lado do edifício, essa parede crescerá em uma taxa diferente das outras. Como as bordas e os lados do cristal crescem em taxas diferentes devido ao comportamento desta microcamada, surgem formas geométricas díspares, desde colunas até placas planas.
Fim do mistério?
McDowell espera que seu trabalho possa agora ser aplicado à física atmosférica (fundamental para a compreensão do clima), à ciência do atrito e até mesmo a uma melhor compreensão da mecânica da patinação no gelo, um esporte que tem em sua essência uma estranheza física que, francamente, ainda não entendemos completamente.
No entanto, como o próprio McDowell admite, o problema não está completamente resolvido. Assim, o investigador planeia agora estudar como a fricção afecta a escorregadia do gelo e, crucialmente no mundo real, como as impurezas afectam a espessura dessa película. Porque na natureza a água nunca está completamente sozinha. A pesquisa certamente confirma que Faraday estava certo, embora a realidade seja muito mais complexa e sutil do que ele jamais imaginou.
