A água está em toda parte. Mas não é o mesmo em todos os lugares. Quando congelado sob pressões e temperaturas extremas, o gelo assume uma variedade de estruturas cristalinas complexas.

Muitas das propriedades e comportamentos desses gelos exóticos permanecem misteriosos, mas uma equipe de pesquisadores recentemente forneceu um novo entendimento. Eles analisaram como as moléculas de água interagem entre si em três tipos de gelo e descobriram que as interações dependiam fortemente da orientação das moléculas e da estrutura geral do gelo. Os pesquisadores descrevem seus resultados no Journal of Chemical Physics .

"O novo trabalho nos deu novos insights espetaculares sobre como as moléculas de água se comportam quando embaladas em ambientes densos e estruturalmente complexos, "disse Christoph Salzmann, da University College London." Em última análise, esse conhecimento nos permitirá entender a água líquida, bem como a água ao redor das biomoléculas, de uma maneira muito melhor. "

Água é, claro, essencial para a vida como a conhecemos. Mas também é único devido à sua forma molecular curvada, com dois átomos de hidrogênio pendurados em um átomo de oxigênio em um ângulo. A molécula geral tem uma polaridade elétrica, com lados carregados positiva e negativamente. Por causa dessas propriedades, as moléculas de água podem se encaixar de várias maneiras ao se solidificar em gelo.

Como a água normalmente congela na Terra, as moléculas se reúnem em uma rede com unidades estruturais em forma de hexágonos. Mas em pressões extremamente altas e baixas temperaturas, as moléculas podem se organizar de maneiras mais complexas, formando 17 fases diferentes - algumas das quais podem existir nas luas geladas dos planetas exteriores.

Embora as próprias estruturas sejam conhecidas, os cientistas ainda não entendem completamente como as moléculas interagem e afetam umas às outras, disse Peter Hamm, da Universidade de Zurique. Nessas fases de gelo, as moléculas estão ligadas entre si, influenciando uns aos outros como se estivessem todos conectados com molas.

Para entender essas interações, Salzmann, Hamm e sua equipe usaram espectroscopia infravermelha 2-D em três fases de gelo com estruturas diversas:gelo II, gelo V e gelo XIII. Neste método, eles dispararam uma sequência de pulsos de laser infravermelho ultracurtos para excitar as ligações moleculares no gelo, fazendo-os vibrar.

À medida que as vibrações moleculares voltam para um estado de energia inferior, a molécula emite luz em frequências infravermelhas. Ao medir como a intensidade da emissão infravermelha depende das frequências do pulso e da radiação emitida - produzindo espectros 2-D - os pesquisadores podem determinar como as moléculas interagem umas com as outras.

Depois de coletar dados no gelo, alguns dos quais tiveram que ser congelados abaixo de -200 graus Celsius e a pressões vários milhares de vezes maiores que a atmosfera ao nível do mar, os pesquisadores usaram simulações de computador de interações moleculares para ajudar a interpretar seus resultados. Embora as simulações tenham correspondido aos dados do gelo II, eles não fizeram para o gelo V e XIII, que fala com a complexidade do sistema.

Ainda, percepções desse tipo de análise podem ajudar a informar simulações de computador usadas para modelar o comportamento de moléculas biológicas como proteínas, que geralmente são cercados por água.

"O gelo de água é importante, e precisamos ser capazes de entendê-lo em um nível muito microscópico, "Hamm disse." Então podemos entender melhor como a água interage com outras moléculas, e particularmente biomoléculas. "