A água é um ingrediente essencial para a vida como a conhecemos, constituindo mais da metade do corpo humano adulto e até 90 por cento de alguns outros seres vivos. Mas os cientistas que tentam examinar minúsculas amostras biológicas com certos comprimentos de onda de luz não foram capazes de observá-los em seu estado natural, ambientes aquosos porque a água absorve muita luz.

Agora, há uma maneira de contornar esse problema:uma equipe liderada por cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia transformou minúsculos jatos de líquido que carregam amostras no caminho de um feixe de raios-X em finos, folhas de fluxo livre, 100 vezes mais fino do que qualquer outro produzido antes. Eles são tão finos que os raios X passam por eles sem obstáculos, então as imagens das amostras que eles carregam ficam claras.

O novo método abre novas janelas em processos críticos em química, física e biologia, incluindo a própria natureza da água, os pesquisadores disseram em um relatório de 10 de abril em Nature Communications .

O método foi desenvolvido no laser de elétrons livres de raios-X do SLAC, a fonte de luz coerente Linac (LCLS), mas eles disseram que também pode funcionar em experimentos com fontes de luz síncrotron, lasers de mesa e feixes de elétrons.

"Isso abre possibilidades em muitos campos, "disse o cientista da equipe SLAC Jake Koralek, que liderou a pesquisa com Daniel DePonte, líder do Departamento de Amostra de Ambiente LCLS.

"Até agora, não fomos capazes de examinar amostras suspensas na água com dois tipos de luz - infravermelha e 'macia', raios-X de baixa energia - que são importantes para fazer imagens e usar espectroscopia para estudar processos básicos em física, química e biologia, incluindo a física da água, "Koralek disse.

"O novo bico que desenvolvemos, que pode criar folhas fluidas de líquido com apenas 100 moléculas de água de espessura que persistem por dias no vácuo, resolve esse problema. As folhas podem até ser usadas para imagens de amostras com feixes de elétrons que resolvem detalhes ainda menores. "

Moldando Líquido com Gás

O bico é um minúsculo chip de vidro com três canais microscópicos. Um fluxo de líquido flui pelo canal do meio, moldado por fluxos de gás que vêm dos canais em ambos os lados. Este bico em particular foi feito com fotolitografia, uma técnica usada para fabricar chips de computador, mas também pode ser criado com impressão 3D, os pesquisadores notaram.

Conforme os cientistas aumentam a velocidade do fluxo de gás, o fluxo líquido se espalha em uma série de folhas cuja largura e espessura podem ser precisamente controladas. A folha mais próxima do bocal é a mais larga e fina; quanto mais longe eles ficam do bocal, quanto mais estreitas e grossas as folhas se tornam até que finalmente se fundem em um fluxo cilíndrico.

As folhas brilham como bolhas de sabão em uma variedade de cores, o resultado da luz refletida nas superfícies frontal e posterior da folha. E assim como as linhas de contorno em um mapa topográfico marcam diferenças na elevação, o matiz e o espaçamento das faixas de cor em constante mudança de uma folha indicam sua espessura e o quanto a espessura muda de um ponto para outro.

"É um design muito flexível e confiável para a criação de folhas líquidas ultrafinas e ligeiramente mais espessas, o que pode ser desejável para algumas aplicações ", disse Linda Young, um distinto colega do Laboratório Nacional de Argonne do DOE e professor da Universidade de Chicago que não esteve envolvido no estudo.

Ela disse que usará o bico para fazer folhas ligeiramente mais grossas de água para um estudo LCLS de como as moléculas de água se comportam depois que um de seus elétrons foi arrancado. Essas moléculas de água ionizada persistem por apenas algumas centenas de femtossegundos, ou milhões de bilionésimos de segundo, e "os raios X fornecem uma maneira completamente nova e limpa de monitorar sua resposta eletrônica em seu ambiente natural, então é por isso que estamos animados com isso, "Young disse.

Uma nova maneira de estudar formas extremas de água

As folhas líquidas já foram utilizadas em experimentos que exploram as propriedades da água em ambientes extremos como os de planetas gigantes, disse o co-autor Siegfried Glenzer, professor do SLAC e chefe da Divisão de Ciência de Densidade de Alta Energia do laboratório.

Esses experimentos foram realizados com o laser de elétrons livres FLASH no Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) da Alemanha. Os pesquisadores usaram pulsos de raios-X para aquecer as camadas de líquido a milhares de graus para simular o calor extremo, forma densa de água presente em planetas gigantes como Júpiter. Em seguida, eles mediram a refletividade e a condutividade da água superaquecida com pulsos de laser óptico no instante antes de a água vaporizar. Essas medições só poderiam ser feitas em uma lâmina plana de água.

"Existem muitos mistérios nesses grandes planetas e eles são importantes para a compreensão da evolução do nosso sistema planetário, bem como de outros, "Glenzer disse." Esta é uma bela ferramenta para estudar a própria água, e no futuro também estudaremos outros materiais que podemos misturar nele. "

A equipe mediu a espessura das folhas com um feixe de luz infravermelha na Fonte de Luz Avançada no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE, e também demonstrou que as folhas poderiam ser usadas para espectroscopia infravermelha, onde a luz absorvida por um material revela sua composição química.