Quando Einstein estava trabalhando para seu doutorado, ele foi um dos primeiros a explicar como as partículas exibem movimentos aleatórios nos fluidos. A difusão é um processo físico importante e a relação de Stokes-Einstein descreve como as partículas se difundem através de um fluido com base na teoria hidrodinâmica. Mas misteriosamente em baixas temperaturas abaixo da temperatura de fusão, algo muda em líquidos super-resfriados e o comportamento vítreo altamente viscoso resultante não pode mais ser explicado pela simples relação de Stokes-Einstein.

Agora, dois pesquisadores da Universidade de Osaka e da Universidade de Nagoya simularam água super-resfriada em detalhes sem precedentes para explicar o comportamento anômalo em baixas temperaturas. Eles publicaram recentemente suas descobertas em Avanços da Ciência .

"A maioria dos líquidos obedece à equação de Stokes-Einstein em uma ampla gama de temperaturas, mas algumas mudanças inesperadas no comportamento são encontradas em água super-resfriada e outros materiais vítreos, "co-autor Kang Kim, da Universidade de Osaka, diz. "O colapso do comportamento de Stokes-Einstein sugere algum tipo de movimentos moleculares anômalos, mesmo em estado líquido, mas não está claro quais são esses comportamentos. "

A relação simples de Stokes-Einstein é baseada em argumentos sobre como as moléculas se movem aleatoriamente no nível microscópico. Mas em água super-resfriada, as moléculas começam a desacelerar irregularmente. Os pesquisadores mostraram por meio de simulações que algumas regiões da água são mais afetadas do que outras, formando ligações de hidrogênio heterogeneamente com solidificação parcial.

As moléculas de água se movem através da água super-resfriada viscosa em saltos relacionados à quebra das ligações de hidrogênio. O tempo errático desse tipo de movimento não é explicado pela equação de Stokes-Einstein.

Suas simulações permitiram que examinassem como a rede de ligações de hidrogênio da água super-resfriada mudou ao longo do tempo. Sua modelagem mostrou claramente que uma temporização de quebra de ligação de hidrogênio intermitente contribuiu para a quebra do comportamento de Stokes-Einstein.

"Existem implicações físicas interessantes dessas descobertas, já que a violação de Stokes-Einstein é considerada uma anomalia hidrodinâmica de muitos sistemas de materiais vítreos, "Kim diz." Nossas simulações ajudam a responder perguntas sobre o que acontece na água super-resfriada pura e também podem ajudar a explicar outros comportamentos dinâmicos em outros materiais vítreos tecnologicamente importantes. "