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 se torna profunda demais para ficar super-resfriada. Isso ocorre a aproximadamente -63 °C e 1000 atmosferas de pressão. Este local oculto afeta o comportamento da água mesmo em condições cotidianas, ajudando a explicar muitas de suas propriedades incomuns. Resultados publicados em revista ciência.
A água é onipresente e vital 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 ao que os cientistas veem em substâncias típicas.
Na maioria dos materiais, o resfriamento faz com que eles encolham e se tornem mais densos. De acordo com este modelo, a água deve atingir a sua densidade mais elevada quando congela. Em vez disso, o gelo flutua e a água líquida é, na verdade, mais densa a 4 graus Celsius. É por isso que a água mais fria permanece sob a água mais quente nos lagos e oceanos.
Quando a água esfria abaixo de 4 graus, ela começa a se expandir novamente. Se a água pura for resfriada abaixo de 0 graus (a cristalização ocorre lentamente), essa expansão continuará e até mesmo acelerará à medida que a temperatura cair ainda mais. À medida que a temperatura diminui, outras propriedades, incluindo a compressibilidade e a capacidade térmica, manifestam-se de formas cada vez mais incomuns.
Usando lasers de raios X para capturar o estado oculto da água
Para estudar estes comportamentos estranhos, os cientistas usaram pulsos de raios X extremamente rápidos produzidos pelos poderosos lasers da Coreia do Sul. Esses pulsos permitiram observar a água sendo super-resfriada antes de se transformar em gelo.
“O que é especial é que somos capazes de captar raios X a velocidades inimagináveis antes do gelo congelar e observar como a transição líquido-líquido desaparece e como surgem novos estados críticos”, disse Anders Nilsson, professor de física química no Departamento de Física da Universidade de Estocolmo. “Durante décadas houve várias especulações e diferentes teorias para explicar estas propriedades notáveis, entre as quais existem teorias como esta.
Os dois estados líquidos da água e as principais transições
Em baixas temperaturas e altas pressões, a água pode existir em duas fases líquidas diferentes, com diferentes estruturas de ligações moleculares. À medida que as condições mudam, as duas formas fundem-se numa única fase num ponto crítico.
Perto deste ponto, o sistema torna-se altamente instável, com a água transitando rapidamente entre os dois estados líquidos ou suas misturas. Estas flutuações podem afetar uma ampla gama de temperaturas e pressões, mesmo em condições ambientais normais. Os cientistas acreditam que são essas mudanças constantes que conferem à água suas propriedades incomuns.
Além do ponto crítico, a água entra em estado supercrítico e, nas condições cotidianas, já existe nesse estado.
Efeito “semelhante a um buraco negro” na hidrodinâmica
Os investigadores também descobriram que à medida que a água se aproxima do ponto crítico, o movimento molecular abranda dramaticamente.
Robin Tyburski, pesquisador de física química na Universidade de Estocolmo, disse: “Parece que se você entrar em um ponto crítico, quase não terá como escapar dele, assim como acontece com um buraco negro”.
Avanços em décadas
Aigerim Karina, pós-doutorado em física química na Universidade de Estocolmo, disse:”É surpreendente que o gelo amorfo, um estado da água amplamente estudado, tenha se tornado nosso ponto de entrada em uma região chave. Esta é uma grande inspiração para minhas pesquisas futuras e me lembra da possibilidade de fazer descobertas em tópicos amplamente estudados, como a água.”
“Ser capaz de medir a água a temperaturas tão baixas sem congelar é um sonho que se tornou realidade”, disse Iason Andronis, estudante de doutoramento em física química na Universidade de Estocolmo. “Muitas pessoas sonhavam em encontrar esse ponto crítico, mas até o advento dos lasers de raios X esse método não existia.”
“Acho muito emocionante que a água seja o único líquido supercrítico no ambiente onde existe vida, e também sabemos que sem água não haveria vida. Isto é mera coincidência ou há algum conhecimento importante que precisamos de adquirir no futuro?” disse Fivos Perakis, professor associado de física química na Universidade de Estocolmo.
Resolvendo um mistério hídrico centenário
“Durante mais de um século, desde os primeiros trabalhos de Wolfgang Röntgen, a origem das estranhas propriedades da água tem sido calorosamente debatida”, explica Anders Nielsen. “Os pesquisadores que estudam a física da água podem agora identificar um modelo para a biologia crítica da água em estado super-resfriado.” A próxima etapa é descobrir esses modelos. Pesquisadores em física da água podem agora determinar que a água é crítica no estado super-resfriado.
A colaboração internacional por trás da descoberta
A pesquisa envolve a colaboração entre a Universidade de Estocolmo, a Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang e a PAL-XFEL na Coreia do Sul, a Sociedade Max Planck, a Universidade Johannes Gutenberg na Alemanha e a Universidade St. Os colaboradores incluem Aigerim Karina, Robin Tyburski, Iason Andronis e Fivos Perakis, bem como ex-membros do Grupo de Física Química da Universidade de Estocolmo
