Pesquisadores da Universidade de Estocolmo usaram lasers avançados de raios X para revelar uma característica da água há muito suspeitada: o ponto crítico que ocorre quando a água é super-resfriada. Isto ocorre a uma temperatura de cerca de -63 °C e 1000 atmosferas. Mesmo em condições cotidianas, esse ponto oculto afeta o comportamento da água, ajudando a explicar muitas de suas propriedades incomuns. Os resultados foram publicados na revista Ciência.
A água está em toda parte e é necessária para a vida, mas não funciona como a maioria dos outros líquidos. Propriedades como densidade, capacidade térmica, viscosidade e compressibilidade respondem à temperatura e pressão de maneiras opostas às que os cientistas veem em substâncias típicas.
Na maioria dos materiais, o resfriamento faz com que eles se contraiam e densifiquem. Com base nesse padrão, a água deve atingir sua densidade mais alta quando congela. Em vez disso, o gelo flutua e a água líquida é, na verdade, mais densa a 4 graus C. É por isso que a água mais fria permanece abaixo da água mais quente em lagos e oceanos.
Quando a água esfria abaixo de 4 graus, ela começa a se expandir novamente. Quando a água pura é resfriada abaixo de 0 graus (onde a cristalização é lenta), essa expansão continua e até acelera à medida que a temperatura cai ainda mais. Outras propriedades, incluindo a compressibilidade e a capacidade térmica, também se comportam de maneira cada vez mais incomum à medida que a temperatura diminui.
Capturando o estado oculto da água usando lasers de raios X
Para investigar esse estranho comportamento, os cientistas usaram pulsos de raios X extremamente rápidos gerados por poderosos lasers na Coreia do Sul. Esses pulsos permitiram observar água super-resfriada pouco antes de se transformar em gelo.
“O que foi especial foi que conseguimos captar raios X com uma rapidez inimaginável antes do gelo solidificar, e pudemos observar como a transição líquido-líquido desaparece e surge um novo estado crítico,” afirma Anders Nilsson, professor de física química na Faculdade de Física da Universidade de Estocolmo. “Durante décadas houve especulações e várias teorias para explicar estas propriedades notáveis, e uma das teorias era a existência de um ponto crítico. Agora descobrimos que tal ponto existe.”
Duas formas líquidas de água e uma transição crítica
Em baixas temperaturas e altas pressões, a água pode existir como duas fases líquidas diferentes com diferentes estruturas de ligações moleculares. À medida que as condições mudam, estas duas formas fundem-se numa única fase num ponto crítico.
Perto deste ponto, o sistema torna-se muito instável e a água transita rapidamente entre os dois estados líquidos ou suas misturas. Essas flutuações se espalham por uma ampla faixa de temperaturas e pressões, atingindo até mesmo condições ambientais normais. Os cientistas acreditam que essas mudanças constantes conferem à água características incomuns.
Além do ponto crítico, a água passa para um estado supercrítico e, nas condições cotidianas, já se encontra nesse regime.
O efeito “buraco negro” na dinâmica da água
Os pesquisadores também descobriram que o movimento molecular diminui drasticamente à medida que a água se aproxima de um ponto crítico.
“Parece que não é possível escapar do ponto crítico depois de entrar nele, quase como num buraco negro”, diz Robin Tybursky, investigador de física química na Universidade de Estocolmo.
Décadas inovadoras em formação
“É surpreendente como o gelo amorfo, um estado da água tão amplamente estudado, se tornou o nosso ponto de entrada na região crítica. Esta é uma grande inspiração para a minha investigação futura e um lembrete das oportunidades para fazer descobertas em tópicos tão amplamente estudados como a água, “diz Aigerim Karina, Doutor em Física Química na Universidade de Estocolmo.
“Ser capaz de medir água a uma temperatura tão baixa sem congelar foi um sonho que se tornou realidade”, diz Iason Andronis, estudante de doutoramento no Departamento de Física Química da Universidade de Estocolmo. “Muitos sonhavam em encontrar este ponto crítico, mas os fundos não estavam disponíveis até que os lasers de raios X fossem desenvolvidos.”
“Acho muito fascinante que a água seja o único fluido supercrítico no ambiente onde existe vida, e também sabemos que não há vida sem água. Será isto pura coincidência ou existe algum conhecimento significativo que possamos obter no futuro?” diz Fivas Perakis, professor associado de física química na Universidade de Estocolmo.
Resolvendo o antigo mistério da água
“Durante mais de um século, desde os primeiros trabalhos de Wolfgang Röntgen, tem havido um intenso debate sobre a origem das estranhas propriedades da água”, explica Anders Nilsson. “Os pesquisadores que estudam a física da água podem agora estabelecer um modelo onde a água tem um ponto crítico no regime de super-resfriamento. O próximo passo é encontrar as implicações dessas descobertas para a importância da água nos processos físicos, químicos, biológicos, geológicos e climáticos. Um grande desafio nos próximos anos.”
Cooperação internacional para descoberta
Esta pesquisa envolveu a colaboração entre a Universidade de Estocolmo, a Universidade POSTECH e a PAL-XFEL na Coreia do Sul, a Sociedade Max Planck, a Universidade Johann Gutenberg na Alemanha e a Universidade St. Os colaboradores incluíram Aigerim Karina, Robin Tyburski, Jason Andronis e Thevas Perakis, bem como ex-membros do grupo de física química da Universidade de Estocolmo.
