O baile das moléculas da água

[ Livremente traduzido de SLAC Researchers Reveal the Dance of Water ]


(Image - Water)

Esta concepção artística mostra duas estruturas distintas da água: em primeiro plano, a estrutura tetraédrica de baixa densidade; emsegundo plano, a estrutura distorcida da água em alta densidade.  (Imagem: cortesia de Hirohito Ogasawara e Ningdong Huang, SLAC.)

Menlo
Park, Califórnia — A água é familiar para todos — ela dá forma aos nossos corpos e nosso planeta. Porém, apesar de toda essa abundância, a estrutura mo­le­­cular da água tem perma­necido um mistério e as muitas estra­nhas propriedades dessa subs­tância ainda são mal com­pre­endidas. Um recente trabalho no Laboratório Nacional do Ace­le­rador SLAC (do Departamento de Energia) e várias universi­dades na Suécia e no Japão está trazen­do novas informações so­bre as idiossincrasias das molé­culas de água e revelando novidades sobre seu comporta­mento conjun­to em grandes quan­tidades.

Ao todo, a água exibe 66 ano­malias conhecidas que incluem uma densidade que varia de mo­do estranho, um grande calor específico e uma alta tensão su­perficial. De modo oposto aos outros líquidos “normais” que se tornam mais densos quanto mais baixa for a temperatura, a água alcança sua densidade má­xi­ma no entorno dos 4°C. Acima e abaixo dessa temperatura, a água é menos densa; motivo pelo qual os lagos congelam da superfície para baixo, por exemplo. A água também tem uma capacidade incomum de armazenar calor, o que estabiliza a temperatura dos oceanos, e uma alta tensão superficial que permite que insetos caminhem sobre a água, que gotas se formem e que as árvores levem a água a grandes alturas.

— Compreender essas anomalias é muito importante porque a água é a base fundamental de nossa existência: sem água, sem vida. Nosso trabalho ajuda a explicar essas anomalias ao nível molecular nas temperaturas relevantes para a existência da vida – diz Anders Nilsson, cientista do SLAC que lidera as expe­riências.

Como as moléculas se dispõem na forma sólida da água (gelo) é algo há muito conhecido: as moléculas formam uma grade “tetraédrica”, com cada molécula se ligando a quatro outras. Entretanto, descobrir qual é o dispositivo das moléculas de água líquida se mostrou muito mais difícil. Por mais de 100 anos, essa estrutura foi objeto de um intenso debate. O modelo didático corrente sustenta que, já que o gelo é feito de estruturas tetraédricas, a água líquida deve ser parecida, porém com uma estrutura menos rígida, uma vez que o calor cria desordem e quebra as ligações. Quando o gelo se derrete, diz-se, as estruturas tetraédricas perdem sua força e se quebram com o aumento da temperatura, mas continuam tentando se manter, tanto quanto possível, na estrutura tetraédrica, o que resulta em uma distribuição homogênea em torno de estruturas tetraédricas distorcidas e parcialmente rompidas.

Recentemente, Nilsson e seus colegas dirigiram possantes raios-X gerados pela Fonte de Luz de Radiação Synchrotron Stanford no SLAC e do Synchrotron SPring-8 no Japão, sobre amostras de água líquida. Essas experiências indicaram que o modelo didático da água em temperatura ambiente estava incorreto e que, inesperadamente, existem dois tipos diferentes de estrutura – uma muito desordenada e outra muito tetraédrica – não importa em qual temperatura.

Em um artigo publicado ontem em Proceedings of the National Academy of Sciences, os pesquisadores revelam a descoberta adicional de que os dois tipos de estrutura ficam espacialmente separados, com as estruturas tetraédricas aglomeradas em amontoados de cerca de até 100 moléculas, cercadas por regiões desordenadas; o líquido é uma mistura flutuante desses dois tipos de estrutura em temperaturas que vão da ambiente até o ponto de ebulição. À medida em que a temperatura da água aumenta, restam cada vez menos aglomerados, mas sempre restam alguns deles em amontoados de tamanhos parecidos. Da mesma forma, os pesquisadores descobriram que as regiões desordenadas se tornam mais desordenadas ainda com o aumento da tem­peratura.

Nilsson descreve:

— Se pode visualizar isso como um restaurante com pista de dança, onde algumas pessoas se sentam em grandes mesas que ocupam um bom pedaço do espaço – como o componente tetraédrico da água – e outras pessoas ficam na pista de dança, de pé e próximas umas das outras e se movendo mais rápido ou mais devagar conforme o ritmo da música – tal como as moléculas nas regiões desordenadas respondem ao calor. Há uma troca de lugares quando as pessoas sentadas resolvem levantar e dançar, enquanto outras se sentam para descansar. Quando a pista de dança fica realmente cheia, as mesas podem ser removidas para abrir espaço para mais dançarinos, e quando as coisas esfriam, mais mesas podem ser trazidas de volta.

Essa compreensão mais detalhada da estrutura molecular e da dinâmica da água líquida em temperaturas ambientes espelha o trabalho teórico sobre água “super-resfriada”: um estado incomum onde a água não vira gelo, embora esteja muito abaixo do ponto de congelamento. Os teóricos postulam que, nesse estado, o líquido seja composto de uma mistura continuamente flutuante de estruturas tetraédricas e outras mais desordenadas, com a proporção entre os dois tipos variando em função da temperatura — exatamente como Nilsson e colegas descobriram ser o caso com a água nas temperaturas ambientes importantes para a vida.

— Antes, quase ninguém pensava que tais flutuações que levam a estruturas locais diferentes, existissem em temperaturas ambientes – diz Nilsson – Mas foi precisamente o que achamos.

Esse novo trabalho explica, em parte, as estranhas propriedades do líquido. O máximo de densidade da água a 4°C pode ser explicado pelo fato de que as estruturas tetraédricas são de menor densidade que não varia significativamente com a temperatura, enquanto que as regiões mais desordenadas – que têm maior densidade – se tornam mais desordenadas e portanto menos densas, com o aumento da temperatura. Da mesma forma, quando a água se aquece, a porcentagem de moléculas no estado mais desordenado aumenta, o que permite a essa estrutura excitável absorver significativas quantidades de calor, o que leva ao alto calor específico da água. A tendência da água em formar fortes pontes de hidrogênio explica a tensão superficial da qual se aproveitam os insetos para caminhar pela superfície. 

Conectar a estrutura molecular da água com suas propriedades em grandes quantidades é algo tremendamente importante para campos do conhecimento que vão da medicina e biologia, à pesquisa de energia e climatológica. Congcong Huang, um pesquisador que realizou as experiências de difração de raios-X, declara:

— Se não conhecermos este material básico para a vida, como podemos estudar os materiais mais complexos dos quais é feita a vida – tal como as proteínas – que são imersos na água? Temos que compreender o simples, antes de podermos compreender o complexo.

Essa pesquisa foi realizada por cientistas do SLAC, Universidade de Estocolmo, Spring-8, Universidade de Tóquio, Universidade de Hiroshima e Universidade de Linkoping. O trabalho for financiado pela Fundação Nacional de Ciência (EUA), Fundação Sueca de Pesquisa Estratégica, Conselho Sueco de Pesquisas, Centro Nacional de Supercomputadores da Suécia e pelo Minsitério Japonês de Educação, Ciência, Esportes e Cultura. 

 O SLAC National Accelerator Laboratory é um laboratório multi-funcional que explora questões avançadas de ciência de fótons, astofísica, física de partículas e pesquisa com aceleradores. Localizado em
Menlo Park, California, o SLAC é operado pela Universidade de Stanford para o Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.


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