A água pode parecer banal no dia a dia, mas, quando a colocamos em condições fora do comum, ela revela um lado bastante inesperado. Cientistas no Japão mostraram agora que, ao ficar presa em espaços minúsculos, as moléculas de água conseguem exibir ao mesmo tempo comportamentos típicos de um sólido e de um líquido.
As diferenças entre água líquida e gelo, que sentimos à escala macroscópica, começam mesmo no mundo microscópico. No gelo, as moléculas ficam encaixadas em estruturas rígidas; já na água líquida, movem-se com muito mais liberdade, formando e quebrando ligações constantemente.
No estado peculiar descrito no novo artigo, as moléculas acabam por fazer um pouco das duas coisas. Mantêm-se em posições fixas, como no gelo, mas rodam rapidamente, como fariam no líquido. Este fenómeno, chamado estado de pré-fusão, tinha escapado até agora a uma observação direta.
"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", diz Makoto Tadokoro, químico da Tokyo University of Science.
"Essencialmente, constitui uma nova fase da água em que camadas de H2O congelado e H2O a mover-se lentamente coexistem."
Para observar este estado invulgar, foi necessário um esquema experimental complexo. Para começar, a água usada não era exatamente a que encontramos no quotidiano: tratava-se de "água pesada", em que os átomos de hidrogénio são substituídos por deutério, um isótopo do hidrogénio que tem um neutrão no núcleo.
Este "D2O" foi depois confinado num espaço extremamente estreito, onde podem surgir vários comportamentos exóticos. Os investigadores criaram cristais em forma de bastonete com canais hidrofílicos minúsculos, com apenas 1,6 nanómetros de largura, congelaram a água pesada no interior e foram aquecendo lentamente.
Por fim, acompanharam todo o processo com espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) de deutério, em estado sólido estático. Isto mostrou que as moléculas estavam a formar uma estrutura hierárquica de três camadas, com diferentes tipos de movimento e de interação em cada uma.
O estado de pré-fusão é provavelmente mais familiar como uma película muito fina de água que se forma à superfície do gelo, mesmo quando a temperatura ainda está abaixo de 0 °C. Mas, no gelo "a granel", esse processo acontece de forma diferente do que acontece sob confinamento extremo.
Já se sabia que, quando confinada à nanoescala, a água pode comportar-se de maneiras estranhas. As suas propriedades elétricas podem alterar-se; pode tornar-se "impossível de congelar" mesmo a temperaturas próximas do zero absoluto; ou pode solidificar a temperaturas em que, teoricamente, deveria estar a ferver.
A equipa diz que aproveitar estas particularidades também pode ter utilidade prática.
"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.
A investigação foi publicada no Journal of the American Chemical Society.
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