Água em confinamento extremo: o **estado de pré-fusão** entre gelo e líquido

A água pode parecer pouco interessante à primeira vista, mas esconde comportamentos surpreendentes. Uma equipa de cientistas no Japão demonstrou que, quando as moléculas de água ficam presas em espaços muito estreitos, podem exibir características de sólido e de líquido ao mesmo tempo.

Do que sentimos à escala humana ao que acontece à escala molecular

As diferenças entre água líquida e gelo, tão óbvias no dia a dia, começam no mundo microscópico. No gelo, as moléculas de H₂O organizam-se em estruturas rígidas e relativamente fixas. Já na água líquida, movem-se com liberdade, criando e desfazendo ligações de forma contínua.

O estado de pré-fusão: fixas como no gelo, mas a rodar como num líquido

No estado peculiar descrito no novo estudo, as moléculas comportam-se “a meio caminho” entre os dois regimes: mantêm-se essencialmente na mesma posição (como num sólido), mas rodam rapidamente, como acontece num líquido. Esta condição é conhecida como estado de pré-fusão e, até aqui, tinha sido difícil de observar diretamente.

“O estado de pré-fusão envolve a fusão de H₂O com ligações de hidrogénio incompletas antes de a estrutura de gelo completamente congelada começar a derreter durante o processo de aquecimento”, explica Makoto Tadokoro, químico da Tokyo University of Science.

“Em termos práticos, trata-se de uma nova fase da água em que coexistem camadas de H₂O congeladas e H₂O a deslocar-se lentamente.”

Porque foi necessária água pesada (D₂O) para ver o fenómeno

Para detetar este comportamento, os investigadores não usaram exatamente a água comum. O estudo recorreu a água pesada, conhecida como D₂O, na qual os átomos de hidrogénio são substituídos por deutério, um isótopo do hidrogénio que inclui um neutrão no núcleo.

Esta escolha ajuda a observar com mais clareza certos movimentos e interações, sobretudo quando se aplicam técnicas instrumentais específicas.

Canais hidrofílicos de 1,6 nanómetros: onde surgem comportamentos exóticos

O passo seguinte foi colocar essa D₂O sob confinamento extremo - um cenário onde tendem a emergir comportamentos fora do comum. A equipa produziu cristais em forma de varão com canais hidrofílicos minúsculos, com apenas 1,6 nanómetros de largura. A água pesada foi congelada dentro desses canais e, depois, aquecida lentamente.

Durante todo o processo, os investigadores acompanharam as mudanças através de espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) de deutério em estado sólido (NMR). As medições indicaram que as moléculas se organizavam numa estrutura hierárquica de três camadas, em que cada camada apresentava movimentos e interações próprios.

Um filme de água no gelo… mas diferente quando há confinamento extremo

Para muitas pessoas, o estado de pré-fusão é mais fácil de imaginar como a película fina de água que pode surgir à superfície do gelo, mesmo quando a temperatura permanece abaixo de 0 °C. No entanto, o estudo sugere que, no gelo em massa, este fenómeno não ocorre da mesma maneira que quando a água está limitada a espaços nanométricos.

A água à nanoescala já era estranha - e aqui torna-se ainda mais

Já se sabia que a água, quando confinada à nanoescala, pode desafiar as expectativas: as suas propriedades elétricas podem alterar-se; pode tornar-se praticamente “incongelável” mesmo a temperaturas próximas do zero absoluto; ou, pelo contrário, pode solidificar a temperaturas em que seria de esperar que estivesse a ferver.

Este tipo de resultados é particularmente relevante para áreas como a nanofluídica e a ciência de materiais, porque mostra que “água” não é um único comportamento - depende muito do ambiente onde está inserida, incluindo superfícies, poros e geometrias de confinamento.

Aplicações possíveis: armazenamento de gases energéticos e hidratos

Segundo a equipa, explorar estas particularidades pode abrir portas a utilizações práticas. Ao criar novas arquiteturas de redes de gelo, pode tornar-se viável armazenar gases com elevado interesse energético.

“Ao criar novas estruturas de rede de gelo, pode ser possível armazenar gases energéticos como hidrogénio e metano e desenvolver materiais à base de água, como hidratos de gás artificiais”, afirma Tadokoro.

Além disso, compreender como surgem camadas com diferentes mobilidades dentro de poros tão estreitos pode ajudar a conceber materiais mais eficientes para captura e libertação controlada de moléculas, com impacto potencial em armazenamento, separação e transporte em micro e nanossistemas.

Publicação

A investigação foi publicada no Journal of the American Chemical Society.