Cálculos quânticos revelam a química oculta do gelo
Um puzzle com décadas
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Quando a luz ultravioleta atinge o gelo - quer nas regiões polares da Terra, quer em planetas distantes - desencadeia uma cascata de reacções químicas que têm intrigado os cientistas durante décadas.
Uma nova investigação abre caminho para que os cientistas compreendam melhor o que acontece à escala sub-atómica quando o gelo derrete, o que tem implicações que incluem a melhoria das previsões da libertação de gases com efeito de estufa do degelo do permafrost.
Image courtesy of Galli Group
Agora, investigadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME) e colaboradores do Centro Internacional de Física Teórica Abdus Salam (ICTP) utilizaram simulações de mecânica quântica para revelar como pequenas imperfeições na estrutura cristalina do gelo alteram drasticamente a forma como o gelo absorve e emite luz. As descobertas, publicadas na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, abrem caminho para que os cientistas compreendam melhor o que acontece à escala sub-atómica quando o gelo derrete, o que tem implicações que incluem a melhoria das previsões da libertação de gases com efeito de estufa provenientes do degelo do permafrost.
"Nunca ninguém tinha conseguido modelar o que acontece quando a luz UV atinge o gelo com este nível de precisão", afirmou Giulia Galli, Professora de Engenharia Molecular da Liew Family e uma das autoras principais do novo trabalho. "O nosso trabalho constitui um ponto de partida importante para compreender a interação da luz com o gelo".
"A colaboração Trieste-Chicago reuniu a nossa experiência em física da água e do gelo com métodos computacionais avançados para estudar as interações luz-matéria. Juntos, pudemos começar a desvendar um problema que tem sido muito difícil de resolver", acrescentou Ali Hassanali, um cientista sénior do ICTP), Trieste, que colaborou com Galli na nova investigação.
Um puzzle com décadas
O mistério sobre o gelo e a luz remonta a experiências realizadas na década de 1980, quando os investigadores descobriram algo intrigante: as amostras de gelo expostas à luz UV durante apenas alguns minutos absorviam determinados comprimentos de onda da luz, mas as amostras expostas à luz UV durante horas absorviam comprimentos de onda diferentes, sugerindo que a química do gelo tinha mudado ao longo do tempo. Os cientistas propuseram vários produtos químicos que se poderiam formar no gelo para explicar estas observações, mas não dispunham de ferramentas para testar as suas teorias.
"O gelo é enganadoramente difícil de estudar. Quando a luz interage com o gelo, as ligações químicas quebram-se, formando novas moléculas e iões carregados que, por sua vez, alteram fundamentalmente as suas propriedades", afirmou Marta Monti, do ICTP, a primeira autora do estudo.
No novo trabalho, a equipa recorreu a abordagens avançadas de modelização que o laboratório Galli desenvolveu nos últimos anos para estudar materiais para tecnologias quânticas. Os métodos permitem-lhes estudar o gelo a um nível que não era possível antes.
"O gelo é extremamente difícil de estudar experimentalmente, mas computacionalmente podemos estudar uma amostra e isolar o efeito de uma química específica de formas que não podem ser feitas em experiências, graças aos métodos computacionais sofisticados que desenvolvemos para estudar as propriedades dos defeitos em materiais complexos", disse o segundo autor Yu Jin, um antigo estudante licenciado da UChicago, agora investigador de pós-doutoramento no Flatiron Institute.
As impressões digitais das imperfeições
A equipa de investigação simulou quatro tipos de gelo: gelo sem defeitos disposto numa estrutura cristalina perfeita e gelo com três imperfeições diferentes na sua estrutura. Num dos casos, faltavam moléculas de água no cristal de água, deixando um espaço vazio. Noutros casos, foram introduzidos iões de hidróxido carregados na estrutura. Para o terceiro conjunto de experiências computacionais, as regras estritas de ligação de hidrogénio do gelo foram violadas num defeito de Bjerrum - ou dois átomos de hidrogénio acabam entre o mesmo par de átomos de oxigénio, ou nenhum, perturbando a estrutura normalmente ordenada.
Os investigadores puderam adicionar estes defeitos um de cada vez e observar como cada tipo alterava a forma como o gelo absorvia e emitia luz. Este tipo de controlo preciso é impossível em amostras físicas de gelo, mas pode ser obtido por computador.
A equipa demonstrou que o início da absorção da luz UV ocorre a diferentes energias no gelo sem defeitos e quando os iões de hidróxido são inseridos na amostra, o que explica, pelo menos qualitativamente, experiências realizadas há décadas. Os defeitos de Bjerrum produziram alterações ainda mais extremas na absorção da luz, explicando potencialmente as caraterísticas de absorção inexplicáveis que aparecem no gelo exposto à luz UV durante longos períodos.
Cada tipo de defeito criou uma assinatura ótica única - como uma impressão digital que os experimentalistas podem agora procurar em amostras reais de gelo. As simulações também revelaram o que acontece a nível molecular: quando a luz UV atinge o gelo, as moléculas de água podem partir-se para formar iões de hidrónio, radicais hidroxilo e electrões livres. Dependendo dos defeitos presentes, estes electrões podem espalhar-se pelo gelo ou ficar presos em pequenas cavidades.
"Esta é a base para compreender cenários muito mais complexos. Agora que sabemos como se comportam os defeitos individuais, podemos começar a modelar o gelo com múltiplos defeitos, superfícies e, eventualmente, a confusão de amostras naturais reais", disse Monti.
Da física fundamental ao degelo do permafrost
Por enquanto, o trabalho aborda a ponta do icebergue no que diz respeito a questões fundamentais sobre a fotoquímica do gelo. Mas, eventualmente, estudos mais aprofundados das interações entre a luz UV e o gelo poderão alargar a nossa compreensão dos desafios ambientais e da astroquímica. O permafrost - solo permanentemente congelado nas regiões polares - retém gases com efeito de estufa. À medida que as temperaturas globais aumentam e a luz solar atinge este gelo, é fundamental compreender a forma como este liberta esses gases para prever as alterações climáticas.
"Há gelo em certas partes da Terra que contém gases e, quando é atingido pela luz ou quando se aumenta um pouco a temperatura, esses gases são libertados", disse Galli. "Um melhor conhecimento sobre a forma como o gelo derrete e o que liberta sob a luz pode ter um impacto incrível na compreensão destes gases".
As descobertas também podem ter implicações para a compreensão da química em luas geladas como a Europa de Júpiter e Enceladus de Saturno, onde a radiação UV bombardeia constantemente as superfícies cobertas de gelo e pode levar à formação de moléculas complexas.
A equipa está agora a trabalhar com experimentalistas para conceber medições que possam validar as suas previsões computacionais. Estão também a alargar o trabalho para estudar colecções mais complexas de defeitos no gelo e sondar o impacto da água derretida à medida que se acumula na superfície do gelo.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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