Pesquisadores da Universidade de Estocolmo utilizaram lasers de raios-X avançados para revelar uma característica há muito suspeita da água: um ponto crítico que aparece quando a água está profundamente super resfriada. Este fenômeno ocorre a cerca de -63 °C e 1000 atmosferas. Mesmo sob condições cotidianas, esse ponto oculto influencia o comportamento da água, ajudando a explicar muitas de suas propriedades incomuns. Os resultados foram publicados na revista Science.
A água está presente em toda parte e é essencial para a vida, mas não se comporta como a maioria dos outros líquidos. Propriedades como densidade, capacidade térmica, viscosidade e compressibilidade reagem à temperatura e pressão de maneiras opostas ao que os cientistas observam em substâncias típicas.
Na maioria dos materiais, o resfriamento faz com que eles se contraiam e se tornem mais densos. Com base nesse padrão, a água deveria atingir sua maior densidade 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 é resfriada abaixo de 4 graus, começa a se expandir novamente. Se a água pura for resfriada abaixo de 0 graus (onde a cristalização acontece lentamente), essa expansão continua e até se acelera à medida que a temperatura cai ainda mais. Outras propriedades, incluindo compressibilidade e capacidade térmica, também se comportam de maneiras cada vez mais incomuns à medida que a temperatura diminui.
Capturando o Estado Oculto da Água com Raios-X
Para investigar esses comportamentos estranhos, os cientistas utilizaram pulsos de raios-X extremamente rápidos gerados por lasers poderosos na Coreia do Sul. Esses pulsos permitiram observar a água em um estado super resfriado momentos antes de se transformar em gelo.
“O que foi especial é que conseguimos realizar a radiografia a uma velocidade inimaginável antes que o gelo se formasse e pudemos observar como a transição líquido-líquido desaparece e um novo estado crítico emerge,” diz Anders Nilsson, Professor de Física Química no Departamento de Física da Universidade de Estocolmo. “Durante décadas, houve especulações e diferentes teorias para explicar essas propriedades notáveis, e uma teoria era a existência de um ponto crítico. Agora descobrimos que tal ponto realmente existe.”
Duformos Líquidos de Água e uma Transição Crítica
Em temperaturas baixas e altas pressões, a água pode existir em duas fases líquidas distintas com diferentes estruturas de ligação molecular. À medida que as condições mudam, essas duas formas se fundem em uma única fase no ponto crítico.
Próximo a esse ponto, o sistema torna-se altamente instável, e a água muda rapidamente entre os dois estados líquidos ou misturas deles. Essas flutuações ocorrem em uma ampla gama de temperaturas e pressões, chegando até a condições ambientais normais. Os cientistas acreditam que essas mudanças constantes são as responsáveis pelas características incomuns da água.
Além do ponto crítico, a água entra em um estado supercrítico, e sob condições cotidianas, já existe nesse regime.
Efeito “Semelhante a um Buraco Negro” na Dinâmica da Água
Os pesquisadores também descobriram que o movimento molecular desacelera drasticamente à medida que a água se aproxima do ponto crítico.
“Parece quase que você não consegue escapar do ponto crítico se entrou nele, quase como um buraco negro,” diz Robin Tyburski, pesquisador em Física Química na Universidade de Estocolmo.
Um Avanço Décadas em Formação
“É incrível como os gelos amorfos, um estado da água amplamente estudado, acabaram se tornando nossa porta de entrada para a região crítica. É uma grande inspiração para meus estudos futuros e um lembrete das possibilidades de descobertas em tópicos muito estudados como a água,” diz Aigerim Karina, pós-doutoranda em Física Química na Universidade de Estocolmo.
“Foi um sonho realizado poder medir a água sob condições de temperatura tão baixa sem congelá-la,” diz Iason Andronis, estudante de doutorado em Física Química na Universidade de Estocolmo. “Muitos sonharam em encontrar esse ponto crítico, mas os meios não estavam disponíveis antes do desenvolvimento dos lasers de raios-X.”
“Acho muito empolgante que a água seja o único líquido supercrítico em condições ambiantais onde a vida existe, e sabemos que não há vida sem água. Isso é uma pura coincidência ou há algum conhecimento essencial que devemos adquirir no futuro?” diz Fivos Perakis, professor associado em Física Química na Universidade de Estocolmo.
Resolvendo um Mistério Centenário da Água
“Houve um intenso debate sobre a origem das propriedades estranhas da água durante mais de um século, desde os primeiros trabalhos de Wolfgang Röntgen,” explica Anders Nilsson. “Os pesquisadores que estudam a física da água agora podem se concentrar no modelo que a água possui um ponto crítico no regime super resfriado. A próxima etapa é descobrir as implicações dessas descobertas sobre a importância da água em processos físicos, químicos, biológicos, geológicos e relacionados ao clima. Um grande desafio nos próximos anos.”
Colaboração Internacional por Trás da Descoberta
Esta pesquisa envolveu a colaboração entre a Universidade de Estocolmo, a Universidade POSTECH e o PAL-XFEL na Coreia do Sul, a Sociedade Max Planck, a Universidade Johannes Gutenberg na Alemanha e a Universidade St. Francis Xavier no Canadá. Os colaboradores incluíram Aigerim Karina, Robin Tyburski, Iason Andronis e Fivos Perakis, junto com antigos membros do grupo de Física Química da Universidade de Estocolmo.
