Como a água esconde o seu segredo quântico
Os investigadores demonstram experimentalmente por que razão a água e a água pesada se comportam de forma semelhante
Quase três quartos da Terra estão cobertos por água. A água é o líquido mais abundante, mas também o mais estranho - por exemplo, tem a sua densidade máxima a 4 °C. Os investigadores Yuki Nagata e Mischa Bonn do MPI for Polymer Research estudaram agora em laboratório a água normal - H2O- e a água pesada - D2O- e descobriram porque é que os dois elementos se comportam de forma semelhante, apesar de os átomos de deutério (D) serem duas vezes mais pesados do que os átomos de hidrogénio (H). As suas investigações podem explicar, por exemplo, porque é que os pontos de congelação dos dois tipos de água são mais próximos do que seria de esperar à partida.
Mais de 70 por cento da Terra está coberta de água - H2O. Uma proporção quase insignificante de alguns por mil consiste em "água pesada", na qual os átomos de hidrogénio (H) são substituídos por átomos de deutério (D). O deutério tem mais um neutrão no seu núcleo do que o hidrogénio e pesa cerca de duas vezes mais.
Seria, portanto, de esperar que a água pesada, na qual dois átomos duas vezes mais pesados estão ligados ao átomo de oxigénio, diferisse significativamente nas suas propriedades da água normal. No entanto, de facto, as temperaturas de congelação dos dois tipos de água diferem apenas em 4 °C. Os investigadores do Instituto Max Planck para a Investigação de Polímeros, sob a direção de Mischa Bonn, conseguiram agora demonstrar, pela primeira vez, que dois efeitos mecânicos quânticos especiais - os chamados efeitos quânticos nucleares (NQE) - que se compensam mutuamente, são responsáveis por este facto.
A mecânica quântica dita que os átomos continuam a mover-se mesmo no zero absoluto, ou seja, a -273 °C: Eles "oscilam" ou "tremem" ligeiramente em torno de uma posição central. Este facto é designado por "energia do ponto zero". Os átomos de hidrogénio na água normal não estão, portanto, a uma distância definida e fixa do átomo de oxigénio, mas numa certa "nuvem" que se estende a uma distância média. Como o hidrogénio é um átomo de massa muito baixa, estas nuvens de hidrogénio são grandes, as NQEs são pronunciadas e a vibração tem uma grande amplitude.
Se o hidrogénio for substituído pelo deutério, mais pesado, os átomos vibram menos. A distância média torna-se menor, o que significa que o átomo de deutério se aproxima mais do átomo de oxigénio. Como resultado deste chamado efeito intramolecular, a expansão espacial de uma molécula de água é reduzida. Simultaneamente, a distância até à molécula de água seguinte aumenta, o que reduz a energia de ligação.
A energia de ligação é uma medida da facilidade com que duas moléculas de água podem ser separadas uma da outra - por exemplo, durante a transição do gelo para a água líquida.
Ao mesmo tempo, porém, o átomo de deutério pode oscilar não só na direção da linha de ligação ao átomo de oxigénio, mas também perpendicularmente a ela. Na troca de hidrogénio por deutério, o chamado efeito intermolecular contraria o efeito intramolecular: enquanto um reduz a energia de ligação, o outro aumenta a energia de ligação numa medida comparável.
As temperaturas de congelação diferem apenas ligeiramente porque os dois efeitos da mecânica quântica têm efeitos opostos na energia de ligação e compensam-se mutuamente de forma aproximada.
Para medir estes efeitos subtis, os investigadores utilizaram uma técnica chamada espetroscopia de geração de soma de frequências detectada por heteródino (HD-SFG). Este método permitiu-lhes estudar a camada superior de água numa interface ar-água, onde as moléculas de água existem com uma extremidade "livre" que não está ligada a outras moléculas de água. Analisando cuidadosamente os espectros vibracionais da água com diferentes proporções de hidrogénio e deutério, os cientistas conseguiram deduzir e quantificar os componentes individuais de energia inter e intramolecular.
O trabalho, agora publicado na revista Science Advances, fornece a primeira prova experimental da competição e do cancelamento quase completo entre os efeitos quânticos intramoleculares e intermoleculares na água, o que há muito tempo era previsto apenas teoricamente. O estudo realça a importância de considerar estes fenómenos quânticos quando se tenta compreender o comportamento da água. Isto tem implicações em domínios que vão da investigação climática à bioquímica, onde as propriedades da água desempenham um papel crucial. Além disso, a abordagem inovadora da equipa abre novas vias para o estudo dos efeitos quânticos noutros sistemas complexos.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Outras notícias do departamento ciência
