Os cientistas descobriram um novo estado da matéria para a água

Uma das coisas mais básicas que nos ensinam nas aulas de ciências escolares é que a água pode existir em três estados diferentes, seja como gelo sólido, água líquida ou gás vapor. Mas uma equipe internacional de cientistas encontrou recentemente sinais de que a água líquida pode realmente vir em dois estados diferentes.

Escrita em um artigo experimental, publicado no International Journal of Nanotechnology, os pesquisadores ficaram surpresos ao encontrar uma série de propriedades físicas da água mudando seu comportamento entre 50℃ e 60℃. Este sinal de uma potencial mudança para um segundo estado líquido pode desencadear uma discussão acalorada na comunidade científica. E, a confirmar-se, poderia ter implicações em vários campos, incluindo a nanotecnologia e a biologia.

Estados de matéria, também chamados “fases”, são um conceito chave no estudo de sistemas feitos a partir de átomos e moléculas. Grosso modo, um sistema formado a partir de muitas moléculas pode ser organizado num certo número de configurações em função da sua energia total. A temperaturas mais elevadas (e portanto a energias mais elevadas), as moléculas têm mais configurações possíveis e por isso são mais desorganizadas e podem mover-se relativamente livremente (a fase gasosa). A temperaturas mais baixas, as moléculas têm um número mais limitado de configurações e assim formam uma fase mais ordenada (um líquido). Se a temperatura baixar mais, elas se organizam em uma configuração muito específica, produzindo um sólido.

Esta imagem é comum para moléculas relativamente simples como dióxido de carbono ou metano, que têm três estados claros e diferentes (líquido, sólido e gás). Mas para moléculas mais complexas, há um maior número de configurações possíveis e isto dá origem a mais fases. Uma bela ilustração disso é o rico comportamento dos cristais líquidos, que são formados por moléculas orgânicas complexas e podem fluir como líquidos, mas ainda têm uma estrutura cristalina sólida.

Porque a fase de uma substância é determinada por como suas moléculas são configuradas, muitas propriedades físicas dessa substância mudarão abruptamente conforme ela vai de um estado para outro. No recente artigo, os pesquisadores mediram várias propriedades físicas da água a temperaturas entre 0℃ e 100℃ em condições atmosféricas normais (o que significa que a água era um líquido). Surpreendentemente, eles encontraram uma dobra em propriedades como a tensão superficial da água e seu índice de refração (uma medida de como a luz viaja através dela) em cerca de 50℃.

Estrutura especial

Como isso pode ser? A estrutura de uma molécula de água, H₂O, é muito interessante e pode ser retratada como uma espécie de ponta de seta, com os dois átomos de hidrogênio flanqueando o átomo de oxigênio na parte superior. Os elétrons da molécula tendem a ser distribuídos de forma bastante assimétrica, fazendo com que o lado do oxigênio fique carregado negativamente em relação ao lado do hidrogênio. Esta característica estrutural simples leva a uma espécie de interação entre moléculas de água conhecida como ligação de hidrogênio, na qual as cargas opostas se atraem uma à outra.

Isto dá propriedades à água que, em muitos casos, quebram as tendências observadas para outros líquidos simples. Por exemplo, ao contrário da maioria das outras substâncias, uma massa fixa de água ocupa mais espaço como sólido (gelo) do que como líquido, devido à forma como as moléculas formam uma estrutura regular específica. Outro exemplo é a tensão superficial da água líquida, que é aproximadamente o dobro da de outros líquidos não-polares, mais simples.

A água é suficientemente simples, mas não demasiado simples. Isto significa que uma possibilidade para explicar a aparente fase extra da água é que ela se comporta um pouco como um cristal líquido. As ligações de hidrogénio entre as moléculas mantêm alguma ordem a baixas temperaturas, mas eventualmente pode demorar uma segunda fase líquida, menos ordenada, a temperaturas mais elevadas. Isto poderia explicar os defeitos observados pelos pesquisadores em seus dados.

Se confirmados, os achados dos autores poderiam ter muitas aplicações. Por exemplo, se mudanças no ambiente (como a temperatura) causarem mudanças nas propriedades físicas de uma substância, então isso pode ser potencialmente usado para aplicações de sensoriamento. Talvez, mais fundamentalmente, os sistemas biológicos sejam feitos, na sua maioria, de água. A forma como as moléculas biológicas (como as proteínas) interagem umas com as outras provavelmente depende da maneira específica em que as moléculas de água se organizam para formar uma fase líquida. Entendendo como as moléculas de água se arranjam em média a diferentes temperaturas poderia lançar luz sobre o funcionamento de como elas interagem em sistemas biológicos.

A descoberta é uma oportunidade excitante para teóricos e experimentalistas, e um belo exemplo de como mesmo a substância mais familiar ainda tem segredos escondidos dentro.

Este post apareceu originalmente no The Conversation. Siga @US_conversation no Twitter.