Os cientistas descobriram um novo estado da água

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

Uma das coisas básicas que aprendemos nas aulas de ciências na escola é que a água pode existir em três estados diferentes: gelo sólido, água líquida ou vapor gasoso. Mas recentemente, uma equipe internacional de cientistas encontrou sinais de que a água líquida pode realmente existir em dois estados diferentes.

Durante a realização de um trabalho de pesquisa - os resultados foram publicados posteriormente no International Journal of Nanotechnology - os cientistas descobriram inesperadamente que uma série de propriedades mudam na água com uma temperatura de 50 a 60 ℃. Este sinal da possível existência de um segundo estado líquido da água gerou um acalorado debate no meio científico. Se confirmada, a descoberta encontrará aplicações em muitas áreas, incluindo nanotecnologia e biologia.

Os estados agregados, também chamados de "fases", são o conceito-chave da teoria dos sistemas de átomos e moléculas. Grosso modo, um sistema que consiste em muitas moléculas pode ser organizado na forma de um certo número de configurações dependendo de sua quantidade total de energia. Em altas temperaturas (e, portanto, em um nível de energia mais alto), um maior número de configurações estão disponíveis para as moléculas, ou seja, elas são menos rigidamente organizadas e se movem com relativa liberdade (fase gasosa). Em temperaturas mais baixas, as moléculas têm menos configurações e estão em uma fase mais organizada (líquida). Se a temperatura cair ainda mais, eles assumirão uma configuração definida e formarão um sólido.

Este é o estado geral de coisas para moléculas relativamente simples, como dióxido de carbono ou metano, que têm três estados distintos (líquido, sólido e gasoso). Mas moléculas mais complexas têm um maior número de configurações possíveis, o que significa que o número de fases aumenta. Uma excelente ilustração disso é o comportamento dual dos cristais líquidos, que são formados de complexos de moléculas orgânicas e podem fluir como líquidos, mas ainda retêm uma estrutura cristalina sólida.

Como as fases de uma substância são determinadas por sua configuração molecular, muitas propriedades físicas mudam drasticamente quando uma substância passa de um estado para outro. No estudo mencionado, os cientistas mediram várias propriedades de controle da água entre 0 e 100 ℃ sob condições atmosféricas normais (de forma que a água seja líquida). Inesperadamente, eles encontraram variações dramáticas nas propriedades, como a tensão superficial da água e o índice de refração (o índice que reflete como a luz viaja através da água) a uma temperatura de cerca de 50 ℃.

Estrutura especial

Como isso é possível? A estrutura da molécula de água, H₂O, é muito interessante e pode ser representada como uma espécie de flecha, onde o átomo de oxigênio está localizado no topo, e dois átomos de hidrogênio o "acompanham" desde os flancos. Os elétrons nas moléculas tendem a ser distribuídos de forma assimétrica, razão pela qual a molécula recebe uma carga negativa do lado do oxigênio em comparação com o lado do hidrogênio. Essa simples característica estrutural leva ao fato de que as moléculas de água começam a interagir umas com as outras de uma certa maneira, suas cargas opostas se atraem, formando a chamada ligação de hidrogênio.

Isso permite que a água em muitos casos se comporte de maneira diferente do que outros líquidos simples observaram. Por exemplo, ao contrário da maioria das outras substâncias, uma determinada massa de água ocupa mais espaço no estado sólido (na forma de gelo) do que no estado líquido, devido ao fato de suas moléculas formarem uma estrutura regular específica. Outro exemplo é a tensão superficial da água líquida, que é o dobro de outros líquidos apolares mais simples.

A água é muito simples, mas não excessiva. Isso significa que a única explicação para a fase adicional de água que se manifestou é que ela se comporta um pouco como um cristal líquido. As ligações de hidrogênio entre as moléculas mantêm uma certa ordem em baixas temperaturas, mas também podem chegar a outro estado mais livre com o aumento da temperatura. Isso explica os desvios significativos observados pelos cientistas durante as pesquisas.

Se isso for confirmado, as conclusões dos autores podem ter muitos usos. Por exemplo, se mudanças no ambiente (digamos, temperatura) implicam mudanças nas propriedades físicas de uma substância, teoricamente isso pode ser usado para criar um equipamento de sondagem. Ou você pode abordá-lo de forma mais fundamental - os sistemas biológicos são compostos principalmente de água. Como as moléculas orgânicas (como proteínas) interagem umas com as outras provavelmente depende de como as moléculas de água formam a fase líquida. Se você entender como as moléculas de água se comportam em média em diferentes temperaturas, pode esclarecer como elas interagem nos sistemas biológicos.

Esta descoberta é uma grande oportunidade para teóricos e experimentadores, bem como um excelente exemplo do fato de que mesmo a substância mais familiar pode esconder segredos em si mesma.

Rodrigo Ledesma Aguilar