O gelo acompanha a ciência há séculos como um arquivo que guarda os segredos da Terra. Presente em investigações sobre o enigmático efeito Mpemba, em que a água quente pode congelar mais rápido do que a fria sob certas condições, e também em estudos que analisam bolhas de ar aprisionadas por milênios para reconstruir a história climática do nosso planeta, esse material, aparentemente simples, continua a nos surpreender. Agora, um novo estudo, com participação de pesquisadores da Universidade de São Paulo (USP) e da Universidade Estadual Paulista (Unesp), lança luz sobre uma de suas propriedades fundamentais: a resposta dielétrica eletrônica em escala nanométrica.
A pesquisa utilizou simulações computacionais baseadas em métodos de primeiros princípios para investigar como o gelo responde a campos elétricos quando confinado em dimensões extremamente pequenas, comparáveis a poucos átomos de espessura. Esse tipo de investigação é essencial para compreender o funcionamento de dispositivos eletrônicos modernos, que dependem do controle preciso de propriedades elétricas em materiais isolantes conhecidos como dielétricos.
De acordo com o artigo científico do qual eles participaram, “First-Principles Nanocapacitor Simulations of the Optical Dielectric Constant in Water Ice”, publicado em 16 de janeiro de 2026 na Physical Review Letters (PRL), esse fenômeno dielétrico está diretamente ligado à capacidade do material de responder eletricamente a perturbações externas, justamente a propriedade investigada no novo estudo. O trabalho foi liderado pela professora Luana Pedroza, do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IFUSP), e pela professora Marivi Fernandez-Serra (Stony Brook University, EUA). Participaram do trabalho também Graciele M. Arvelos, aluna de doutorado do Instituto de Física Teórica da Universidade Estadual Paulista (IFT-UNESP) e Alexandre R. Rocha, professor da mesma instituição de ensino e pesquisa.
Materiais dielétricos desempenham um papel central em capacitores, componentes capazes de armazenar energia elétrica e presentes em praticamente todos os circuitos eletrônicos. A capacidade de armazenamento depende diretamente da constante dielétrica do material, uma grandeza que mede o quanto ele se polariza na presença de um campo elétrico. Embora essa propriedade seja bem compreendida em materiais macroscópicos, sua determinação em nanoescala ainda apresenta desafios conceituais e técnicos.
Em entrevista ao Boletim SBF, Luana explica que, no mundo macroscópico, pode-se calcular a capacitância de um material utilizando elementos geométricos, a qual a física clássica consegue determinar. Mas no caso do mundo quântico, isso é algo muito mais complexo; torna-se difícil determinar com precisão onde termina o eletrodo e onde começa o dielétrico, o que leva a ambiguidades na definição da capacitância e, consequentemente, da constante dielétrica. Essa dificuldade decorre de uma separação imprecisa das cargas elétricas entre as diferentes regiões do sistema. Essa indefinição pode gerar interpretações equivocadas, incluindo a aparente existência de efeitos interfaciais que, na realidade, são artefatos do método de análise.
Os pesquisadores desenvolveram uma abordagem computacional que combina a teoria do funcional da densidade, amplamente utilizada na física da matéria condensada, com o formalismo das funções de Green fora do equilíbrio, uma ferramenta essencial para descrever sistemas submetidos a tensões elétricas. Esse arcabouço permitiu simular nanocapacitores contendo gelo cristalino como material dielétrico e analisar sua resposta elétrica com precisão sem precedentes.
Segundo Luana Pedroza, o método exigiu adaptações importantes em relação às formulações já existentes. “Partimos de uma abordagem já conhecida baseada em funções de Green fora do equilíbrio, mas foi necessário modificá-la para que fosse adequada ao estudo da resposta dielétrica em sistemas nanométricos”, explica.
Segundo a professora, o gelo foi escolhido como sistema modelo em decorrência da ordenação do material em uma rede cristalina, uma vez que a água líquida apresenta, em sua estrutura atômica, grande desordem. “Mas agora a gente está avançando nessa direção de estudar isso também na água líquida”, conta a professora do IFUSP, lembrando que o fato do gelo ser também água gerou na história de evolução da física discussões violentas desde o século 16, com pesquisadores à época partindo para o duelo com armas. “A água é uma das coisas mais difíceis de estudar. E a história do gelo, por si só, já é muito interessante.”
Os resultados da atual pesquisa revelaram um aspecto importante do comportamento eletrônico do gelo: mesmo quando confinado em dimensões nanométricas, suas propriedades dielétricas eletrônicas permanecem essencialmente inalteradas. Em outras palavras, o gelo mantém sua resposta eletrônica intrínseca independentemente do grau de confinamento, o que indica uma notável robustez de sua estrutura eletrônica.
“Diferentemente da água líquida, o gelo tem uma estrutura muito bem definida, o que nos ajudou a estudá-lo. A gente conseguiu fazer um estudo muito mais aprofundado para ver se a metodologia estava correta, para entender melhor a metodologia”, afirma Luana.
Outro ponto relevante é que a contribuição eletrônica à constante dielétrica se mostrou insensível à chamada ordem dos prótons, que se refere às diferentes possíveis configurações das posições dos átomos de hidrogênio na rede cristalina do gelo. Essa característica já era conhecida em condições macroscópicas, mas sua confirmação em escala nanométrica reforça a compreensão fundamental desse material.
Esses achados têm implicações que vão além do próprio gelo. O estudo fornece uma base conceitual mais sólida para interpretar medições elétricas em sistemas de baixa dimensionalidade, incluindo filmes ultrafinos e outros materiais emergentes utilizados em nanoeletrônica. À medida que os dispositivos eletrônicos continuam a diminuir de tamanho, compreender o comportamento dielétrico em escalas atômicas torna-se cada vez mais importante.
Além disso, a nova metodologia pode ser aplicada a uma ampla gama de materiais isolantes, contribuindo para o desenvolvimento de capacitores mais eficientes e de novas tecnologias baseadas em estruturas nanométricas. Ao refinar a forma como se interpreta a resposta elétrica desses sistemas, o trabalho abre caminho para avanços tanto na pesquisa fundamental quanto em aplicações tecnológicas.
Assim, o gelo, que há muito tempo ajuda cientistas a compreender fenômenos climáticos, propriedades da água e até enigmas térmicos, agora também contribui para esclarecer questões fundamentais sobre o comportamento elétrico da matéria em suas menores escalas. Mais uma vez, esse material familiar mostra que ainda tem muito a ensinar à física contemporânea. Quando você retirar do congelador o gelo para resfriar sua bebida, lembre-se há mais segredos na natureza do que supõe a nossa vã vontade de nos refrescarmos.
(Colaborou Roger Marzochi)
