Uma equipe de cientistas descobriu novas propriedades moleculares da água - a descoberta de um fenômeno que antes passava despercebido.

Uma equipe de cientistas descobriu novas propriedades moleculares da água - a descoberta de um fenômeno que antes passava despercebido.

A água líquida é conhecida por ser um excelente transportador de seus próprios produtos de autoionização; isso é, a espécie carregada obtida quando uma molécula de água (H ₂ O) é dividido em prótons (H ⁺ ) e íons hidróxido (OH ^- ) Esta propriedade notável da água a torna um componente crítico na produção de energia eletroquímica emergente e tecnologias de armazenamento, como células de combustível; na verdade, a própria vida não seria possível se a água não tivesse essa característica.

A água é conhecida por consistir em uma intrincada rede de fracos, interações direcionais conhecidas como ligações de hidrogênio. Por quase um século, pensava-se que os mecanismos pelos quais a água transporta o H ⁺ e OH ^- Os íons eram imagens espelhadas uns dos outros - idênticos em todos os sentidos, exceto nas direções das ligações de hidrogênio envolvidas no processo.

Modelos teóricos de última geração e simulações de computador atuais, Contudo, previu uma assimetria fundamental nestes mecanismos. Se correto, essa assimetria é algo que pode ser explorado em diferentes aplicações, adaptando um sistema para favorecer um íon em detrimento do outro.

A prova experimental da previsão teórica permaneceu indefinida por causa da dificuldade em observar diretamente as duas espécies iônicas. Diferentes experimentos forneceram apenas vislumbres da assimetria prevista.

Uma equipe de cientistas da Universidade de Nova York, liderado pelo professor Alexej Jerschow e incluindo Emilia Silletta, um pós-doutorado da NYU, e Mark Tuckerman, um professor de química e matemática na NYU, planejou um novo experimento para eliminar essa assimetria. A abordagem experimental envolveu o resfriamento da água até sua chamada temperatura de densidade máxima, onde se espera que a assimetria se manifeste mais fortemente, permitindo assim que seja cuidadosamente detectado.

É do conhecimento geral que o gelo flutua na água e que os lagos se congelam por cima. Isso ocorre porque as moléculas de água se acumulam em uma estrutura com densidade menor do que a da água líquida - uma manifestação das propriedades incomuns da água:a densidade da água líquida aumenta logo acima do ponto de congelamento e atinge um máximo de quatro graus Celsius (39 graus Fahrenheit ), a chamada temperatura de densidade máxima; esta diferença de densidade determina que o líquido esteja sempre situado abaixo do gelo.

Ao resfriar a água até esta temperatura, a equipe empregou métodos de ressonância magnética nuclear (o mesmo tipo de abordagem é clinicamente na imagem de ressonância magnética) para mostrar que a diferença na vida útil dos dois íons atinge um valor máximo (quanto maior a vida útil, mais lento o transporte). Ao acentuar a diferença nas existências, a assimetria tornou-se flagrantemente clara.

Conforme observado anteriormente, a água consiste em um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio, mas os átomos de hidrogênio são relativamente móveis e podem pular de uma molécula para outra, e é esse salto que torna as duas espécies iônicas tão móveis na água.

Ao buscar explicações para as características dependentes da temperatura, os pesquisadores se concentraram na velocidade com que esses saltos podem ocorrer.

Pesquisas anteriores indicaram que dois arranjos geométricos principais de ligações de hidrogênio (um associado a cada íon) facilitam os saltos. Os pesquisadores descobriram que um dos arranjos levou a saltos significativamente mais lentos para OH ^- do que para H ⁺ a quatro graus Celsius. Sendo que esta também é a temperatura de densidade máxima, os pesquisadores sentiram que os dois fenômenos deveriam estar ligados. Além disso, seus resultados mostraram que o comportamento de salto das moléculas mudou abruptamente nessa temperatura.

“O estudo das propriedades moleculares da água é de grande interesse devido ao seu papel central na viabilização de processos fisiológicos e sua natureza ubíqua, "diz Jerschow, o autor correspondente deste estudo. "A nova descoberta é bastante surpreendente e pode permitir uma compreensão mais profunda das propriedades da água, bem como de seu papel como fluido em muitos fenômenos da natureza."

Tuckerman, que foi um dos primeiros pesquisadores a prever a assimetria nos mecanismos de transporte e a diferença nos arranjos das ligações de hidrogênio, diz, "É gratificante ter esta peça clara de evidência experimental confirmando nossas previsões anteriores. No momento, estamos buscando novas maneiras de explorar a assimetria entre H ⁺ e OH ^- transporte para projetar novos materiais para aplicações de energia limpa, e saber que estamos começando com um modelo correto é fundamental para nosso progresso contínuo. "

Uma grande faixa de outras pesquisas, variando do estudo da função enzimática no corpo até a compreensão de como os organismos vivos podem prosperar em condições adversas, incluindo temperaturas abaixo de zero e ambientes altamente ácidos, também será impactado pelas descobertas da equipe.