Cientistas da Universidade de Estocolmo descobriram que a água pode apresentar um comportamento semelhante ao de um cristal líquido quando iluminada com luz laser. Este efeito é originado pelo alinhamento das moléculas de água, que exibem uma mistura de domínios de baixa e alta densidade que são mais ou menos propensos ao alinhamento. Os resultados, relatado em Cartas de revisão de física , são baseados em uma combinação de estudos experimentais usando lasers de raios-X e simulações moleculares.

Os cristais líquidos foram considerados uma mera curiosidade científica quando foram descobertos pela primeira vez em 1888. Mais de 100 anos depois, são uma das tecnologias mais utilizadas, presente em displays digitais (LCDs) de relógios, TVs e telas de computador. Os cristais líquidos funcionam através da aplicação de um campo elétrico, que faz com que as moléculas vizinhas de um líquido se alinhem, de uma forma que se assemelha a um cristal. A água também pode ser distorcida em um cristal líquido, quando iluminado com luz laser. Sabe-se que o campo elétrico do laser pode alinhar as moléculas de água por menos de um bilionésimo de segundo. Esta descoberta pode ter futuras aplicações tecnológicas?

Uma equipe internacional de pesquisadores do Departamento de Física da Universidade de Estocolmo realizou experimentos no SACLA de laser de elétrons livres de raios-X do Japão e sondou pela primeira vez a dinâmica de moléculas orientadas transitoriamente usando pulsos de raios-X. Esta técnica, depende do alinhamento das moléculas com um pulso de laser (com comprimento de onda λ =800 nm) e da sondagem do alinhamento com pulsos de raios-X, que permitem ver em tempo real as mudanças na estrutura a nível molecular. Variando o tempo entre o laser e os pulsos de raios-X, os pesquisadores foram capazes de resolver o estado alinhado, que vive apenas por 160 fs.

“Sabe-se que as moléculas de água estão alinhadas devido à polarização do pulso do laser”, explica Kyung Hwan Kim, ex-pesquisador da Universidade de Estocolmo e atualmente professor assistente da Universidade POSTECH na Coréia, "No entanto, é uma capacidade única ser capaz de usar lasers de raios-X para ver o alinhamento molecular em tempo real."

"Os raios X são perfeitos para sondar moléculas porque seu comprimento de onda corresponde às escalas de comprimento molecular", diz o Dr. Alexander Späh, ex-aluno de PhD em Física na Universidade de Estocolmo, e atualmente é pós-doutorado na Universidade de Stanford. "Eu realmente gosto de ter a oportunidade de usar instalações de raio-X de última geração para investigar questões fundamentais que podem ter futuras aplicações tecnológicas."

Os experimentos foram bem reproduzidos por simulações moleculares, que deu uma visão do mecanismo de alinhamento subjacente. Ao assumir que a água se comporta como um líquido de dois estados, consistindo em domínios de líquido de alta e baixa densidade (HDL e LDL), os pesquisadores descobriram que cada domínio mostra uma tendência diferente de alinhamento.

"As moléculas de água nas regiões LDL têm uma rede de ligações de hidrogênio mais forte, o que torna as moléculas mais fáceis de responder ao forte campo de laser "explica Anders Nilsson, professor de Física Química na Universidade de Estocolmo. "Seria fascinante medir o tempo de vida do alinhamento molecular no regime super-resfriado, onde tudo deve abrandar dramaticamente ".

"Ser capaz de entender a água em um nível molecular observando as mudanças na rede de ligações de hidrogênio, pode desempenhar um papel importante na atividade biológica ", diz Fivos Perakis, professor assistente de Física na Universidade de Estocolmo. "Estou curioso para ver se o alinhamento observado pode levar a aplicações tecnológicas no futuro, por exemplo, em conexão com a limpeza e dessalinização da água ".