Há uma tempestade na sua xícara de chá dos gostos que mal compreendemos. Moléculas de água a girar loucamente, a estenderem-se umas às outras, a agarrarem-se e a soltarem-se de formas únicas que desafiam o estudo fácil.
Embora os físicos saibam que o fenómeno da ligação de hidrogénio desempenha um papel fundamental nas muitas configurações estranhas e maravilhosas da água, certos detalhes de exactamente como isto funciona têm permanecido bastante vagos.
Uma equipa internacional de investigadores adoptou uma nova abordagem para imaginar as posições das partículas que compõem a água líquida, capturando o seu borrão com precisão de femtossegundos para revelar como o hidrogénio e o oxigénio se empurram dentro das moléculas de água.
Os seus resultados podem não nos ajudar a fazer uma melhor chávena de chá, mas vão muito longe na modelação quântica das ligações de hidrogénio, potencialmente melhorando teorias que explicam porque é que a água – tão vital para a vida como a conhecemos – tem propriedades tão intrigantes.
“Isto abriu realmente uma nova janela para estudar a água”, diz Xijie Wang, um físico do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia dos EUA.
“Agora que finalmente podemos ver as ligações de hidrogénio em movimento, gostaríamos de ligar esses movimentos ao quadro mais amplo, o que poderia lançar luz sobre como a água levou à origem e sobrevivência da vida na Terra e informar o desenvolvimento de métodos de energia renovável”.
Isoladamente, uma única molécula de água é uma batalha de custódia de três vias sobre electrões entre dois átomos de hidrogénio e um único oxigénio.
Com muito mais prótons do que o seu par de companheiros de weenie, o oxigénio recebe um pouco mais do amor dos electrões da molécula. Isto deixa cada hidrogênio com um pouco mais de tempo livre de elétrons do que o habitual. Os pequenos átomos não são exactamente deixados carregados positivamente, mas dão origem a uma molécula em forma de V com uma suave inclinação de pontas subtilmente positivas e um núcleo ligeiramente negativo.
Jogue um número destas moléculas juntamente com energia suficiente, e as pequenas variações na carga organizar-se-ão em conformidade, com as mesmas cargas a afastarem-se e ao contrário das cargas que se juntam.
Embora tudo isto possa parecer suficientemente simples, o motor por detrás deste processo é tudo menos simples. Os electrões fazem zoom sob a influência de várias leis quânticas, o que significa que quanto mais perto olhamos, menos certos podemos estar sobre certas propriedades.
Os cometas interestelares visitam o nosso sistema solar com mais frequência do que se pensa!
Anteriormente, os físicos tinham confiado na espectroscopia ultra-rápida para compreender a forma como os electrões se movem no caótico cabo de guerra da água, capturando fótons de luz e analisando a sua assinatura para mapear as posições dos electrões.
Infelizmente, isto deixa de fora uma parte crucial do cenário – os próprios átomos. Longe dos espectadores passivos, eles também se flexionam e oscilam em relação às forças quânticas que se deslocam à sua volta.
“A baixa massa dos átomos de hidrogénio acentua o seu comportamento de onda quântica”, diz a física do SLAC Kelly Gaffney.
Para obter informações sobre os arranjos do átomo, a equipa utilizou algo chamado Megaelectronvolt Ultrafast Electron Diffraction Instrument, ou MeV-UED. Este dispositivo no Laboratório Nacional de Aceleradores do SLAC chuveiros de água com electrões, que transportam informação crucial sobre os arranjos dos átomos à medida que fazem ricochete a partir das moléculas.
Acima: A animação mostra como uma molécula de água reage após ser atingida com luz laser. Quando a molécula de água excitada começa a vibrar, os seus átomos de hidrogénio (brancos) puxam os átomos de oxigénio (vermelhos) das moléculas de água vizinhas para mais perto, antes de as afastar, expandindo o espaço entre as moléculas.
Com suficientes instantâneos, foi possível construir uma imagem de alta resolução do abanão de hidrogénio à medida que as moléculas se dobram e flectem à sua volta, revelando como arrastam o oxigénio das moléculas vizinhas na sua direcção antes de as empurrar violentamente de novo para trás.
“Este estudo é o primeiro a demonstrar directamente que a resposta da rede de ligação de hidrogénio a um impulso de energia depende criticamente da natureza mecânica quântica da forma como os átomos de hidrogénio são espaçados, o que há muito foi sugerido como sendo responsável pelos atributos únicos da água e da sua rede de ligação de hidrogénio”, diz Gaffney.
Agora que a ferramenta demonstrou funcionar em princípio, os investigadores podem utilizá-la para estudar a turbulenta valsa das moléculas de água à medida que as pressões sobem e as temperaturas descem, observando como ela responde aos solutos orgânicos de construção de vida ou forma novas fases espantosas sob condições exóticas.
Nunca uma tempestade pareceu tão graciosa.
Fonte: Sciencealert
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