Cientistas da Universidade de Tóquio estudaram em detalhes a estrutura da água como um líquido e descobriram que suas propriedades dependem da proporção dos dois estados de fase.
Todos sabem que as propriedades da água são diferentes da maioria dos líquidos: ela se expande quando congela (portanto o gelo é mais leve), quando se contrai, sua viscosidade diminui e assim por diante. Essas propriedades aparentemente anômalas são explicadas para nós na escola pela presença de ligações de hidrogênio entre as moléculas. No entanto, os detalhes ainda são mal compreendidos, embora o tópico seja extremamente importante para a química e a física. As propriedades específicas da água também são utilizadas na medicina e nas disciplinas técnicas.
O Instituto de Ciências Industriais da Universidade de Tóquio foi capaz de avançar no entendimento do fenômeno da estrutura da água.
A água no estado líquido forma estruturas tetraédricas de natureza local, que são formadas com a ajuda de ligações de hidrogênio - isso é conhecido há muito tempo. Cientistas japoneses determinaram que a água não é apenas "água desordenada" na qual flutuam "partículas" de "água tetraédrica": o sistema tem um diagrama de estados semelhante às fases sólidas.
Foi desenvolvido um modelo que considera a água líquida como um sistema composto por duas fases. O primeiro é um estado desordenado com alta simetria rotacional. Simplificando, essa é a ausência de qualquer padrão definido nas "direções" das moléculas em um líquido. A segunda fase não é apenas tetraedricamente ordenada, mas também termodinamicamente em um estado de não-equilíbrio. A interação desses estados é descrita pelo parâmetro lambda (λ), cujo significado físico é uma avaliação da força relativa das interações intermoleculares de natureza par e tripla. Ou seja, o usual, entre duas moléculas livres, e entre as moléculas que compõem uma estrutura tetraédrica. Consequentemente, um aumento no parâmetro λ indica um aumento na ordenação do sistema.
Este modelo parece simples, mas prevê bem o comportamento anormal da água como um líquido.
Um dos líderes do estudo, John Russo, explica: "… À medida que λ aumenta, as camadas tetraédricas que se formam ao redor de cada molécula tornam-se energeticamente mais estáveis." Isso compensa o consumo de energia para ordenar a estrutura como um todo. Os cientistas, ao mudar λ, modelaram diagramas de estado de fase, cuja estrutura pode ser bastante inesperada. Portanto, a figura à esquerda mostra a estrutura da água do tipo Si34 - ela é formada sob pressão negativa. Além disso, sua estrutura é clatrata, ou seja, na verdade, é um composto de inclusão: algumas das moléculas de água estão nas cavidades da estrutura formada por suas outras moléculas.
Imagem da estrutura da água no estado de fase Si34 (esquerda) e o diagrama de fase nas coordenadas λ / pressão (direita) / Instituto de Ciência Industrial, Universidade de Tóquio.
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A dependência revelada não é linear, o efeito máximo nas propriedades da água ocorre em λ = 23,15.
Hajime Tanaka, um dos líderes do projeto, destacou o importante papel da pesquisa em físico-química.
A relação dos parâmetros macroscópicos, como a viscosidade com as estruturas microscópicas, produzidos usando um modelo relativamente simples, é de fato uma conquista importante. Do ponto de vista prático, entender a estrutura da água deve auxiliar no desenvolvimento de filtros finos eficientes.
Anton Bugaychuk
