Uma equipe de pesquisa baseada no Japão estudou o comportamento anômalo de líquidos tetraédricos como a água. Por simulação de computador, eles calcularam os diagramas de fase de uma série de líquidos modelo. Variando um parâmetro chamado lambda (λ), que controla a quantidade de estrutura tetraédrica no líquido, eles descobriram que os líquidos com maior λ mostraram mais anomalias, como expansão a baixa temperatura. O valor de λ da água maximiza o efeito da tetraedricidade, daí suas propriedades especialmente incomuns.

A água ocupa um lugar especial entre os líquidos por suas propriedades incomuns, e continua mal compreendido. Por exemplo, ele se expande apenas após o congelamento em gelo, e se torna menos viscoso sob compressão, em torno da pressão atmosférica. Racionalizar essas esquisitices é um grande desafio para a física e a química. Uma pesquisa recente conduzida pelo Instituto de Ciência Industrial (IIS) da Universidade de Tóquio sugere que eles resultam do grau de ordenação estrutural do fluido.

A água pertence a uma classe de líquidos cujas partículas formam estruturas tetraédricas locais. A tetraedricidade da água é uma consequência das ligações de hidrogênio entre as moléculas, que são restritos a direções fixas. Em um estudo no Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), os pesquisadores investigaram por que as propriedades físicas da água, expressas por seu diagrama de fase, são tão notáveis, mesmo em comparação com outros líquidos tetraédricos, como silício e carbono.

Os líquidos tetraédricos são frequentemente simulados por um potencial de energia denominado modelo SW. Supõe-se que o líquido contenha duas fases em equilíbrio termodinâmico - um estado desordenado que tem alta simetria rotacional, e um estado tetraedricamente ordenado que não. Apesar de sua simplicidade, o modelo prevê com precisão comportamentos anômalos de líquidos. A propriedade de dois estados é controlada pelo parâmetro lambda (λ), que descreve a força relativa das interações intermoleculares de pares e de três corpos. Quanto maior λ é, o grau de ordem tetraédrica aumenta.

"Percebemos que λ, que é bastante grande para a água, foi a chave para a singularidade desses líquidos, "diz o co-autor do estudo, John Russo." λ controla o grau de tetraedricidade:conforme λ aumenta, as conchas tetraédricas que se formam em torno de cada molécula tornam-se energeticamente mais estáveis. Portanto, essas conchas superam a perda desfavorável de entropia que acompanha a criação da ordem. "Os tetraedros locais se assemelham a estruturas de estado sólido, é por isso que os líquidos com λ alto se cristalizam mais facilmente.

Ajustando continuamente λ, eles simularam um conjunto de diagramas de fase para modelar o que acontece quando um líquido "simples" se torna progressivamente mais parecido com água. Com o aumento de λ, as várias anomalias termodinâmicas e dinâmicas dos líquidos tetraédricos - como a expansão a baixa temperatura e a quebra da lei de Arrhenius padrão para difusão - tornaram-se mais pronunciadas.

Contudo, não era tão simples quanto "mais tetraedros equivalem a um comportamento mais estranho". A influência da tetraedricidade foi maximizada para a água, que tem λ =23,15. Acima aqui, o comportamento da densidade em função da temperatura se aproximou do normal novamente, porque a diferença de volume entre os estados ordenado e desordenado começou a cair. Assim, a água tem um valor primorosamente ajustado ou "Cachinhos Dourados" de λ que a permite alternar facilmente entre a ordem e a aleatoriedade. Isso dá a ele alta flexibilidade estrutural em resposta à mudança de temperatura ou pressão, que é a origem de seu comportamento único.

"Vinculando propriedades observáveis, como a viscosidade em estruturas microscópicas, é do que trata a química física, "diz o co-autor Hajime Tanaka." Água, a substância mais abundante e ainda mais incomum na terra, há muito tempo é a fronteira final a esse respeito. Ficamos maravilhados que um simples, modelo bem conhecido pode explicar totalmente a estranheza da água, que surge do delicado equilíbrio entre ordem e desordem no líquido. "