Uma equipe internacional de cientistas liderada pela professora Martina Havenith da Ruhr-Universität Bochum (RUB) foi capaz de lançar uma nova luz sobre as propriedades da água em nível molecular. Em particular, eles foram capazes de descrever com precisão as interações entre três moléculas de água, que contribuem significativamente para o panorama energético da água. A pesquisa pode abrir caminho para melhor compreender e prever o comportamento da água em diferentes condições, mesmo sob condições extremas. Os resultados foram publicados online na revista Angewandte Chemie em 19 de abril de 2020.

Interações por meio de vibrações

Apesar da água à primeira vista parecer um líquido simples, tem muitas propriedades incomuns, um deles é que é menos denso quando está congelado do que quando é líquido. Da maneira mais simples que os líquidos são descritos pela interação de seus parceiros diretos, que são suficientes para uma boa descrição, mas não no caso da água:as interações nos dímeros de água respondem por 75 por cento da energia que mantém a água unida. Martina Havenith, chefe da cadeira de Físico-Química II baseada em Bochum e porta-voz do Grupo de Excelência da Ruhr Explores Solvation (Resolv), e seus colegas da Emory University em Atlanta, NÓS, publicou recentemente uma descrição precisa das interações relacionadas ao dímero de água. Para ter acesso às interações cooperativas, que constituem 25 por cento da interação total da água, o trímero de água teve que ser investigado.

Agora, a equipe liderada por Martina Havenith em colaboração com colegas da Emory University e da University of Mississipi, NÓS, foi capaz de descrever pela primeira vez de forma precisa a energia de interação entre três moléculas de água. Eles testaram descrições teóricas modernas contra o resultado da impressão digital espectroscópica dessas interações intermoleculares.

Obstáculos para pesquisa experimental

Por mais de 40 anos, cientistas desenvolveram modelos computacionais e simulações para descrever as energias envolvidas no trímero de água. Os experimentos tiveram menos sucesso, apesar de alguns insights pioneiros em estudos de fase gasosa, e eles contam com espectroscopia. A técnica funciona irradiando uma amostra de água com radiação e registrando quanta luz foi absorvida. O padrão obtido está relacionado aos diferentes tipos de excitações de movimentos intermoleculares envolvendo mais de uma molécula de água. Infelizmente, para obter essas impressões digitais espectroscópicas para dímeros e trímeros de água, é preciso irradiar na região de frequência terahertz. E fontes de laser que fornecem alta potência têm faltado para essa região de frequência.

Essa lacuna técnica foi preenchida apenas recentemente. Na publicação atual, os cientistas do RUB usaram os lasers de elétrons livres da Universidade Radboud em Nijmegen, na Holanda, o que permite altas potências na região de frequência terahertz. O laser foi aplicado através de minúsculas gotículas de hélio superfluido, que é resfriado a temperaturas extremamente baixas, para menos 272, 75 graus Celsius. Essas gotículas podem coletar moléculas de água uma por uma, permitindo isolar pequenos agregados de dímeros e trímeros. Desta forma, os cientistas foram capazes de irradiar exatamente as moléculas que desejavam e adquirir o primeiro espectro abrangente do trímero de água na região de frequência de terahertz.

As observações experimentais das vibrações intermoleculares foram comparadas e interpretadas usando cálculos quânticos de alto nível. Desta forma, os cientistas podem analisar o espectro e atribuir até seis vibrações intermoleculares diferentes.