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"Puxão" quântico entre as moléculas de água é observado pela primeira vez

·3 minuto de leitura

A água, elemento fundamental da vida na Terra, é também um dos menos compreendidos pela ciência. Se pensarmos bem nesse líquido, notaremos com estranheza que ele tem propriedades misteriosas, como a tensão superficial que permite os insetos andarem em sua superfície, ou a capacidade incrível de armazenar calor. Para compreender isso um pouco melhor, cientistas criaram uma técnica para visualizar as ligações moleculares da água e conseguiram uma série de imagens inéditas e reveladoras.

Os autores do estudo são pesquisadores do Laboratório Nacional de Aceleração SLAC da Universidade de Stanford e da Universidade de Estocolmo, na Suécia. Através do novo método inovador, eles conseguiram a primeira observação direta de como os átomos de hidrogênio nas moléculas de água puxam e empurram as moléculas vizinhas quando recebem um "incentivo" energético.

Já sabemos há um bom tempo que cada molécula de água contém um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio, mas ali existe uma teia de ligações entre os átomos de hidrogênio carregados positivamente e os de oxigênio carregados negativamente com as moléculas de água vizinhas. Essa rede é o que mantém as moléculas juntas, formando o líquido e dando-lhe muitas de suas propriedades estranhas; mas essa interação, apesar de simples, era impossível de observar diretamente.

Uma das dificuldades é a baixa massa dos átomos de hidrogênio, que "acentua seu comportamento de onda quântica", como explica a colaboradora do trabalho Kelly Gaffney. Isso significa que o grau de incerteza sobre a posição e velocidade do comportamento de onda dos átomos é alto. “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", explicou Gaffney.

As moléculas de água formadas por dois átomos de hidrogênio (brancos) e um de oxigenio (vermelhos) respondem após ser atingida por laser. Os átomos de hidrogênio puxam os de oxigênio das moléculas de água vizinhas para mais perto, antes de empurrá-los para longe (Imagem: Reprodução/Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)
As moléculas de água formadas por dois átomos de hidrogênio (brancos) e um de oxigenio (vermelhos) respondem após ser atingida por laser. Os átomos de hidrogênio puxam os de oxigênio das moléculas de água vizinhas para mais perto, antes de empurrá-los para longe (Imagem: Reprodução/Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)

Essa relação entre a reação dos átomos ao receber energia e o espaçamento entre átomos de hidrogênio, já havia sido teorizada antes como responsável pelas características únicas da água, mas ainda faltava uma comprovação observacional. Foi isso o que os autores desse estudo buscou, usando uma "câmera de elétrons" de alta velocidade chamada MeV-UED, capaz de detectar movimentos moleculares sutis ao espalhar um poderoso feixe de elétrons na amostra.

A equipe criou jatos de água líquida com 100 nanômetros de espessura, isto é, cerca de 1.000 vezes mais finos do que um fio de cabelo humano, e definiu a vibração das moléculas de água com laser infravermelho. Em seguida, eles "bombardearam" as moléculas com pulsos curtos de elétrons de alta energia. A técnica resultou em imagens das posições das partículas com precisão de femtossegundos (um quatrilionésimo de segundo).

Isso revelou aos cientistas como o hidrogênio e o oxigênio se movimentam dentro das moléculas de água, com foco em três moléculas. Conforme uma delas era excitada pela energia e começava a vibrar, seus átomos de hidrogênio puxam os átomos de oxigênio das moléculas de água vizinhas para mais perto, antes de empurrá-las para expandindo o espaço entre as moléculas.

O resultado poderá ajudar cientistas de todo o mundo a ampliar o entendimento de como a água atua de várias maneiras para permitir que a vida prospere, através de seus processos químicos e biológicos. “Agora que finalmente podemos ver as ligações de hidrogênio se movendo", disse o colaborador Xijie Wang, "gostaríamos de conectar esses movimentos com o quadro mais amplo, que poderia esclarecer como a água levou à origem e sobrevivência da vida na Terra e informar o desenvolvimento de métodos de energia renovável”. O artigo foi publicado na revista Nature.

Fonte: Canaltech

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