Há uma tempestade em sua xícara de chá de um tipo que mal entendemos. Moléculas de água girando loucamente, estendendo-se umas às outras, agarrando-se e soltando-se de maneiras únicas que desafiam um estudo fácil.
Embora os físicos saibam que o fenômeno das ligações de hidrogênio desempenha um papel fundamental nas muitas configurações estranhas e maravilhosas da água, certos detalhes de como isso funciona exatamente permaneceram um tanto vagos.
Uma equipe internacional de pesquisadores fez uma nova abordagem para obter imagens das posições das partículas que compõem a água líquida, capturando seu borrão com precisão de femtossegundos para revelar como o hidrogênio e o oxigênio se movimentam dentro das moléculas de água.
Seus resultados podem não nos ajudar a fazer uma xícara de chá melhor, mas eles percorrem um longo caminho para dar corpo à modelagem quântica das ligações de hidrogênio, potencialmente melhorando as teorias que explicam por que a água – tão vital para a vida como a conhecemos – tem propriedades tão intrigantes.
“Isso realmente abriu uma nova janela para estudar a água”, disse Xijie Wang, físico do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia dos Estados Unidos.
“Agora que podemos finalmente ver as ligações de hidrogênio se movendo, gostaríamos de conectar esses movimentos com o quadro mais amplo, que pode lançar luz sobre como a água levou à origem e sobrevivência da vida na Terra e informar o desenvolvimento de métodos de energia renovável.”
Isoladamente, uma única molécula de água é uma batalha de custódia de três vias pelos elétrons entre dois átomos de hidrogênio e um único oxigênio.
Com muito mais prótons do que seu par de ajudantes menores, o oxigênio obtém um pouco mais do amor de elétrons da molécula. Isso deixa cada hidrogênio com um pouco mais de tempo livre de elétrons do que o normal. Os minúsculos átomos não são exatamente deixados com carga positiva, mas formam uma molécula em forma de V com uma inclinação suave de pontas sutilmente positivas e um núcleo ligeiramente negativo.
Jogue várias dessas moléculas juntas com energia suficiente, e as pequenas variações de carga se organizarão de acordo, com as mesmas cargas se separando e cargas diferentes se juntando.
Embora tudo isso possa parecer bastante simples, o mecanismo por trás desse processo é tudo menos direto. Os elétrons se movem sob a influência de várias leis quânticas, ou seja, quanto mais de perto olhamos, menos certos podemos estar sobre certas propriedades.
Anteriormente, os físicos confiavam na espectroscopia ultrarrápida para compreender como os elétrons se movem no caótico cabo de guerra da água, capturando fótons de luz e analisando sua assinatura para mapear as posições dos elétrons.
Infelizmente, isso deixa de fora uma parte crucial do cenário – os próprios átomos. Longe de espectadores passivos, eles também se flexionam e oscilam em relação às forças quânticas que se deslocam ao seu redor.
“A baixa massa dos átomos de hidrogênio acentua seu comportamento de onda quântica”, disse a física Kelly Gaffney do SLAC.
Para obter insights sobre os arranjos dos átomos, a equipe usou algo chamado Megaeletronvolt Ultrafast Electron Diffraction Instrument, ou MeV-UED. Este dispositivo do National Accelerator Laboratory do SLAC enche a água com elétrons, que carregam informações cruciais sobre os arranjos dos átomos à medida que eles ricocheteiam nas moléculas.
Com instantâneos suficientes, foi possível construir uma imagem de alta resolução do movimento do hidrogênio conforme as moléculas se dobram e flexionam ao redor deles, revelando como elas arrastam o oxigênio das moléculas vizinhas em sua direção antes de empurrá-las violentamente de volta.
“Este estudo é o primeiro a demonstrar diretamente que a resposta da rede de ligações de hidrogênio a um impulso de energia depende criticamente da natureza da mecânica quântica de como os átomos de hidrogênio estão espaçados, o que há muito tem sido sugerido como sendo responsável pelos atributos únicos da água e sua rede de ligações de hidrogênio”, diz Gaffney.
Agora que a ferramenta demonstrou funcionar em princípio, os pesquisadores podem usá-la para estudar a valsa turbulenta das moléculas de água à medida que as pressões aumentam e as temperaturas caem, observando como ela responde a solutos orgânicos criadores de vida ou forma novas fases surpreendentes sob condições exóticas.
Nunca uma tempestade pareceu tão graciosa.
Publicado em 30/08/2021 07h30
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