A água pode congelar em temperatura ambiente quando é comprimida rapidamente, e nem sempre escolhe o mesmo caminho até virar sólido. Experimentos de uma equipe ligada ao Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) e ao European XFEL identificaram pelo menos cinco rotas de congelamento e derretimento, incluindo uma que produz o gelo XXI, uma estrutura cristalina inédita. A descoberta, publicada na Nature Materials em 2025, mostra que a velocidade da compressão importa tanto quanto a pressão alcançada.
Como a água congela em temperatura ambiente?
A água congela em temperatura ambiente quando a compressão rápida reorganiza suas moléculas e favorece estruturas cristalinas de alta pressão.
O experimento usou uma célula de bigorna de diamante dinâmica, instrumento que aprisiona uma amostra minúscula entre duas pontas de diamante. A pressão podia ser aumentada e reduzida em velocidades controladas, entre 0,001 e 120 gigapascals por segundo. Em temperatura ambiente, os pesquisadores repetiram de 100 a 1.000 ciclos de compressão e descompressão. A água, submetida a esse tratamento “de academia” para moléculas, não seguiu uma única sequência previsível. Em vez disso, alternou entre cinco padrões recorrentes de congelamento e derretimento, revelados pelas medições de pressão e por imagens ópticas de alta velocidade.
Em boa parte da faixa examinada, a fase estável esperada seria o gelo VI. Ainda assim, a água frequentemente passou antes por formas menos estáveis. Uma rota produziu gelo VII metastável e depois retornou ao estado líquido. Outra levou do gelo VII ao gelo VI antes do derretimento. As duas rotas restantes incluíram o gelo XXI: em uma delas, a água supercomprimida formou gelo XXI e depois gelo VI; na mais intrincada, passou por gelo XXI, gelo VII metastável, gelo VI e só então voltou a ser líquida. A água, aparentemente, gosta de uma boa digressão.
O que é o gelo XXI e como ele foi detectado?
O gelo XXI é uma fase metastável de alta pressão, formada por cristais com estrutura tetragonal centrada no corpo e 152 moléculas de água por célula unitária.
A identificação exigiu uma ferramenta capaz de acompanhar transformações rápidas demais para métodos convencionais. Difração de raios X em síncrotrons e medições Raman reconheciam a água, o gelo VI e o gelo VII metastável, mas não separavam os dois eventos de cristalização observados em determinados ciclos. A equipe recorreu à linha de luz High Energy Density, no European XFEL, na Alemanha, onde pulsos ultracurtos de raios X foram sincronizados com a variação de pressão.
As medições acompanharam a compressão ao longo de aproximadamente 10 milissegundos, até pressões próximas de 2 gigapascals. Imagens ópticas indicaram que um primeiro cristal podia surgir em 20 a 40 microssegundos, seguido por um segundo evento cerca de 1 milissegundo depois. Os padrões de difração não correspondiam a nenhuma fase conhecida entre o gelo Ih e o gelo XX, nem às estruturas metastáveis já descritas na faixa do gelo VI.
O novo cristal tem uma célula unitária com cerca de 20,2 angströms em dois eixos e 7,9 angströms no terceiro, a aproximadamente 1,6 gigapascal. Sua densidade calculada nessa pressão é de 1,413 grama por centímetro cúbico. O nome gelo XXI parece modesto para uma estrutura que chega atrasada a uma festa com vinte fases de gelo já catalogadas.
Por que a água passa por fases metastáveis?
Fases metastáveis aparecem porque a cristalização depende da barreira de nucleação, não apenas da estrutura de menor energia disponível.
Quando a água é comprimida depressa, ela pode ultrapassar a pressão na qual normalmente congelaria e permanecer temporariamente líquida. Esse estado é chamado de água supercomprimida. Enquanto a pressão sobe, a rede de ligações de hidrogênio se distorce e se rearranja, alterando a densidade, a energia potencial e a vizinhança entre os átomos de oxigênio.
Simulações de dinâmica molecular com os modelos SPCfw e TIP4P/Ice indicaram uma evolução de água de alta densidade para água de densidade muito alta. Entre aproximadamente 1 e 2 gigapascals, os arranjos moleculares deixaram de se parecer principalmente com o gelo VI e passaram a adquirir características do gelo VII. Outras mudanças estruturais sugeriram que o gelo XXI também poderia se tornar competitivo nessa faixa.
A explicação se encaixa na regra das etapas de Ostwald: durante uma transformação, um material pode atravessar estados intermediários antes de alcançar a fase mais estável. Uma estrutura metastável vence a corrida inicial quando se parece o bastante com o líquido ao redor para exigir menos reorganização molecular. Os experimentos sugerem que, acima de cerca de 1,6 gigapascal, o gelo XXI tem uma barreira de nucleação particularmente baixa. Por isso, pode surgir antes do gelo VII metastável ou do gelo VI estável.
O comportamento também explica uma assimetria importante. Em alguns ensaios, o gelo XXI se transformou diretamente em gelo VI; em outros, virou gelo VII metastável. O caminho inverso, do gelo VII metastável para o gelo XXI, não foi observado. Essa mão única indica que o gelo XXI tem energia livre de Gibbs maior que a do gelo VII metastável em temperatura ambiente, embora os valores provavelmente sejam próximos.
O que essa descoberta muda na ciência da água?
A descoberta melhora os modelos de água sob pressão rápida e ajuda a interpretar materiais e ambientes planetários ricos em água.
Diagramas de fases costumam privilegiar condições de equilíbrio, como se a matéria tivesse todo o tempo do mundo para escolher seu arranjo mais econômico. O experimento mostra o que fica escondido quando a velocidade entra em cena: a água pode conservar estados transitórios, escolher uma estrutura menos estável e só depois migrar para outra. Para descrever esse comportamento, modelos atomísticos precisam considerar não apenas pressão e temperatura, mas também a trajetória usada para chegar a elas.
Esse refinamento interessa a estudos de água salgada, soluções de proteínas e materiais que contêm água. Nesses sistemas, impurezas, moléculas maiores e redes químicas diferentes podem alterar as barreiras de nucleação. Conhecer as rotas possíveis ajuda a distinguir uma fase genuinamente estável de uma forma que apareceu apenas porque o experimento foi rápido demais para permitir a transformação seguinte.
Há também uma conexão com corpos gelados do Sistema Solar e com outros objetos planetários submetidos a pressões elevadas. Luas cobertas por gelo, planetas ricos em água e camadas internas comprimidas não reproduzem simplesmente o cenário de um congelador doméstico. Neles, o material pode atravessar sequências de fases, conservar estruturas metastáveis e combinar ordem cristalina com movimento molecular.
Pesquisas recentes citadas pelos autores ampliam esse mapa: trabalhos de 2024 e 2025 examinaram a formação rápida do gelo VII metastável, o gelo plástico VII, estruturas superiônicas e novos candidatos computacionais entre os polimorfos do gelo. O gelo XXI não encerra a história. Ele confirma que, para a água, o trajeto até o sólido pode ser tão revelador quanto o sólido final.
