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

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.

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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.

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: SLAC