Uma das coisas mais básicas que aprendemos nas aulas de ciências nas escolas é que a água pode existir em três estados diferentes, como gelo sólido, água líquida ou gás de vapor. Mas uma equipe internacional de cientistas descobriu recentemente sinais de que a água líquida pode vir em dois estados diferentes.
Escrevendo em um artigo experimental, publicado no International Journal of Nanotechnology, os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que algumas propriedades físicas da água mudam seu comportamento entre 50 60 e 60 ℃. Este sinal de uma potencial mudança para um segundo estado líquido poderia desencadear uma discussão acalorada na comunidade científica. E, se confirmado, pode ter implicações para uma variedade de campos, incluindo nanotecnologia e biologia.
Os estados da matéria, também chamados de "fases", são um conceito-chave no estudo de sistemas feitos de átomos e moléculas. Grosso modo, um sistema formado por muitas moléculas pode ser organizado em um certo número de configurações, dependendo de sua energia total. Em temperaturas mais altas (e, portanto, maiores energias), as moléculas têm mais configurações possíveis e, portanto, são mais desorganizadas e podem se mover de forma relativamente livre (a fase gasosa). Em temperaturas mais baixas, as moléculas têm um número mais limitado de configurações e, assim, formam uma fase mais ordenada (um líquido). Se a temperatura baixar ainda mais, eles se organizam em uma configuração muito específica, produzindo um sólido.
Esse quadro é comum para moléculas relativamente simples, como dióxido de carbono ou metano, que têm três estados claros e diferentes (líquido, sólido e gás). Mas para moléculas mais complexas, existe um número maior de configurações possíveis e isso dá origem a mais fases. Uma bela ilustração disso é o rico comportamento dos cristais líquidos, que são formados por moléculas orgânicas complexas e podem fluir como líquidos, mas ainda assim ter uma estrutura cristalina sólida
Como a fase de uma substância é determinada pela configuração de suas moléculas, muitas propriedades físicas dessa substância mudam abruptamente à medida que vão de um estado a outro. No recente artigo, os pesquisadores mediram várias propriedades físicas reveladoras da água em temperaturas entre 0 ℃ e 100 ℃ sob condições atmosféricas normais (o que significa que a água era um líquido). Surpreendentemente, eles encontraram uma torção em propriedades como a tensão superficial da água e seu índice de refração (uma medida de como a luz viaja através dela) em torno de 50 ℃.
Como isso pode ser? A estrutura de uma molécula de água, H2O, é muito interessante e pode ser retratada como uma espécie de ponta de flecha, com os dois átomos de hidrogênio flanqueando o átomo de oxigênio no topo. Os elétrons na molécula tendem a se distribuir de maneira um tanto assimétrica, fazendo com que o lado do oxigênio apresente carga negativa em relação ao lado do hidrogênio. Esta característica estrutural simples leva a um tipo de interação entre moléculas de água conhecidas como ligações de hidrogênio, nas quais as cargas opostas se atraem.
Isto dá propriedades de água que, em muitos casos, quebram as tendências observadas para outros líquidos simples. Por exemplo, ao contrário da maioria das outras substâncias, uma massa fixa de água ocupa mais espaço como um sólido (gelo) do que como um (líquido) devido à forma como as moléculas formam uma estrutura regular específica. Outro exemplo é a tensão superficial da água líquida, que é aproximadamente o dobro da de outros líquidos não polares e mais simples.
A água é bastante simples, mas não muito simples. Isso significa que uma possibilidade para explicar a aparente fase extra da água é que ela se comporta um pouco como um cristal líquido. As ligações de hidrogênio entre as moléculas mantêm alguma ordem em baixas temperaturas, mas eventualmente podem levar uma segunda fase líquida menos ordenada a temperaturas mais altas. Isso poderia explicar as torções observadas pelos pesquisadores em seus dados.
Se confirmado, os resultados dos autores podem ter muitas aplicações. Por exemplo, se alterações no ambiente (como temperatura) causarem alterações nas propriedades físicas de uma substância, isso poderá ser potencialmente usado para detecção de aplicativos. Talvez mais fundamentalmente, os sistemas biológicos são feitos principalmente de água. A maneira como as moléculas biológicas (como as proteínas) interagem umas com as outras provavelmente depende da maneira específica como as moléculas de água se organizam para formar uma fase líquida. Entender como as moléculas de água se organizam em média a diferentes temperaturas pode esclarecer o funcionamento de como elas interagem nos sistemas biológicos.
A descoberta é uma oportunidade excitante para os teóricos e experimentalistas, e um belo exemplo de como até mesmo a substância mais familiar ainda tem segredos escondidos dentro dela.
Este artigo foi originalmente publicado no The Conversation. Leia o artigo original.
