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Pesquisadores fizeram uma descoberta ao observar a interface gelo-líquido usando anticongelante e um microscópio refrigerado. Eles descobriram que o gelo no anticongelante permanece plano com mudanças estruturais mínimas em comparação com sua rápida transformação na água. (Conceito do artista.) Crédito: SciTechDaily.com
Um novo estudo observou com sucesso a estrutura do gelo no anticongelante, revelando uma superfície plana com etapas moleculares ocasionais, aumentando nossa compreensão da interação do gelo com líquidos.
O gelo na natureza é cercado por líquido na maior parte do tempo, e, portanto, é essencial entender como o gelo e o líquido interagem. Um estudo da Universidade de Kobe e do Instituto de Ciência Molecular pôde agora, pela primeira vez, observar diretamente o formato preciso do gelo na interface entre gelo e líquido – usando anticongelante e um microscópio refrigerado.
Quando deslizamos no gelo, quando flocos de neve se formam, quando lambemos sorvete, a superfície do gelo está sempre coberta com água líquida, e entender a interação entre a água líquida e o gelo é vital para entender todo o fenômeno. No entanto, como o gelo e a água se transformam rapidamente um no outro, tem sido impossível observar diretamente a interface entre os dois.
Para chegar mais perto de entender como o gelo interage com o líquido ao redor, pesquisadores liderados por Hiroshi Onishi, da Universidade de Kobe, decidiram tentar a próxima melhor coisa. Ele diz: “Tivemos a ideia de medir gelo imerso em anticongelante mais frio que 0°C. Dessa forma, o gelo não derrete e a interface não se move, e deve ser possível fazer observações precisas.”
“Por meio de vários processos de tentativa e erro, descobrimos que precisávamos resfriar todo o sistema do microscópio em uma caixa de resfriamento, e foi preciso alguma engenhosidade para garantir que o microscópio de força atômica, um instrumento de medição de precisão, pudesse operar de forma estável em temperaturas abaixo de zero”, explica Hiroshi Onishi. Crédito: Hiroshi Onishi
Mesmo assim, os pesquisadores lutaram para obter boas medições do gelo. “Por meio de vários processos de tentativa e erro, descobrimos que tínhamos que resfriar todo o sistema do microscópio em uma caixa de resfriamento, e foi preciso alguma engenhosidade para garantir que o microscópio de força atômica, um instrumento de medição de precisão, pudesse operar de forma estável em temperaturas abaixo de zero”, explica o pesquisador da Universidade de Kobe.
Em O Jornal de Física Químicao grupo agora publicou seus resultados. Eles descobriram que, enquanto o gelo sem líquido ao redor apresenta os chamados “pilares de gelo” com cerca de 20 nanômetros de altura, no anticongelante o gelo é perfeitamente plano com degraus ocasionais de apenas uma camada molecular de altura. “Achamos que a superfície plana é formada por meio de … dissolução parcial e recristalização da superfície do gelo no líquido 1-octanol (o anticongelante)”, escrevem os pesquisadores no artigo.
Enquanto o gelo sem líquido ao redor (A) apresenta os chamados “pilares de gelo” com cerca de 20 nanômetros de altura, no anticongelante de 1-octanol (B) o gelo é perfeitamente plano com degraus ocasionais com apenas uma camada molecular de altura. Em líquidos diferentes (C: 1-hexanol. D: 1-butanol) com propriedades semelhantes, a superfície do gelo parece diferente em cada caso, ressaltando a importância de medir diretamente a interface. Crédito: Ryo Yanagisawa
Onishi e sua equipe também testaram líquidos diferentes, todos álcoois como 1-octanol. E mesmo que todos os líquidos que eles testaram tenham propriedades semelhantes, eles observaram que a superfície do gelo parece diferente em cada caso, ressaltando a importância de medir diretamente a interface. Além disso, eles investigaram a “dureza” da superfície do gelo sob 1-octanol e descobriram que o gelo é muito mais duro do que o estimado anteriormente usando métodos menos diretos.
Os pesquisadores esperam que seus resultados convidem a estudos mais aprofundados da interface gelo-líquido, mas eles também definiram metas claras para seu próprio trabalho futuro, dizendo: “Esperamos aumentar a resolução do microscópio para moléculas de água individuais e usar métodos de medição diferentes da microscopia de força atômica. Dessa forma, esperamos expandir a gama de possíveis aplicações de medições em nível molecular da interface gelo-anticongelante.”
Referência: “A interface entre gelo e álcoois analisada por microscopia de força atômica” 9 de julho de 2024, O Jornal de Física Química.
DOI: 10.1063/5.0211501
Esta pesquisa foi financiada pelo Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão (bolsas JPMXP1222MS0008 e JPMXP1223MS0001) e pela Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência (bolsas 21K18935 e 23H05448). Foi conduzida em colaboração com pesquisadores do Instituto de Ciência Molecular, Institutos Nacionais de Ciências Naturais.