Beba este factóide:a água é o líquido mais estranho de todos.

A maioria dos fluidos tem comportamentos previsíveis e semelhantes. Mas ao contrário de outros fluidos, a água é mais densa como um líquido, não um sólido. A vida aquática sobrevive ao inverno porque o gelo flutua em vez de afundar e se expandir em uma enorme geleira sólida. As propriedades únicas, porém estranhas, da água ajudam a sustentar a vida.

Por décadas, Os cientistas estão tentando descobrir o que está acontecendo com o estranho comportamento da água. As respostas parecem estar em uma janela há muito escondida de temperaturas extremas.

Em 2020, cientistas do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) deram um grande salto na compreensão do fenômeno. Detalhado no jornal Ciência , a equipe usou uma técnica de aquecimento a laser inovadora que revelou - pela primeira vez - as mudanças em nanoescala que a água líquida super-resfriada sofre entre -117,7 graus Fahrenheit (190 K) e -18,7 graus Fahrenheit (245 K).

A técnica puxou a cortina dessa janela de temperatura anteriormente envolta em que ocorrem as estranhas e sutis mudanças estruturais da água. O físico químico da PNNL, Greg Kimmel, descreveu essa extensão inexplorada como "o jogo de bola completo para a compreensão da estrutura da água".

Esse jogo de bola faz parte do programa de Fase Condensada e Ciências Moleculares Interfaciais patrocinado pelo Escritório de Ciência de Energia Básica do Departamento de Energia dos EUA. O programa financia pesquisas para entender a física e a química fundamentais de sistemas que estão longe do equilíbrio, e como eles chegam ao equilíbrio. Nesse caso, esse sistema é líquido - especificamente, agua.

“A água é um dos solventes mais importantes que temos, "disse Kimmel." Estamos tentando entender melhor como a água se comporta nas interfaces, em confinamento e em soluções, como ele se condensa e se cristaliza, etcetera. "

As implicações são de longo alcance, variando de processos biológicos e físicos relacionados às mudanças climáticas, para melhores produtos químicos para energia e processamento nuclear, a novos medicamentos para combater doenças.

Pesquisadores em todas essas áreas logo estarão esfregando cotovelos no Centro de Ciências da Energia do PNNL, com inauguração prevista para o final de 2021. O novo 140, O local de 300 metros quadrados receberá até 250 teóricos, experimentalistas, cientistas visitantes, e equipe de suporte, para não mencionar a mais recente instrumentação científica. Kimmel e seus colegas esperam trabalhar em um ambiente colaborativo enquanto mantêm o foco do laser na água super-resfriada.

Uma questão de equilíbrio - ou não

"Conforme você abaixa a temperatura, a maioria das moléculas líquidas se agrupam com muita força e são muito densas. Mas abaixo de 39 graus Fahrenheit, a água é exatamente o oposto, "explicou Loni Kringle, que trabalhou como pesquisador de pós-doutorado com a equipe de Kimmel nos estudos da água super-resfriada. "As moléculas de água formam ligações tetraédricas que ocupam muito espaço. À medida que a água esfria, ele se expande e diminui em densidade. "Pense em cubos de gelo saindo da bandeja.

Os cientistas entendem muito bem esse quadro geral, mas como isso acontece em detalhes? Não muito.

A água que permanece na forma líquida bem abaixo do ponto de congelamento normal - chamada de água super-resfriada - está longe do verdadeiro equilíbrio, o estado mais estável. Se sua estrutura não estiver mudando, a água está em um estado denominado metaestável. Os experimentos de Kimmel e equipe mediram a taxa na qual a água super-resfriada relaxa de sua configuração inicial ao "equilíbrio metaestável" antes de cristalizar.

"Se você deseja que seu material atinja o equilíbrio ou não, depende de quais propriedades você deseja que ele tenha, "explicou Kimmel, usando rejeitos radioativos como exemplo. "Se você quiser capturar e manter núcleos radioativos, você quer manter um copo, não é um material cristalino, que pode crescer grãos e expelir impurezas da superfície. Isso seria um problema."

De resíduos de arrotos a água super-resfriada

Kimmel juntou-se ao PNNL em 1992 para estudar as reações responsáveis ​​pelo acúmulo e liberação repentina de gás hidrogênio de resíduos nucleares armazenados em tanques subterrâneos no local de Hanford do DOE. Ele simulou o processo de "arrotar" lançando elétrons em filmes finos de água.

Seu trabalho se alinhava bem com a pesquisa do colega cientista do PNNL Bruce Kay sobre a estrutura e a cinética de filmes em interfaces, ver como a água é dessorvida e a energia é liberada em uma gama de temperaturas. Os dois cientistas tiveram a ideia de tentar o aquecimento a laser para medir a taxa de cristalização e difusão da água.

Existiam teorias sobre transformações estruturais reversíveis antes da cristalização da água, em temperaturas acima de -171 graus Fahrenheit (160 K) e abaixo de -36 graus Fahrenheit (235 K) - mas não havia nenhuma evidência. Experimentos anteriores ultrapassaram o limite.

"Essa faixa de temperatura é muito difícil de alcançar e controlar experimentalmente, e foi isso que a técnica de aquecimento pulsado superou, "explicou Kringle. Ela trabalhou ao lado de outro pesquisador de pós-doutorado, Wyatt Thornley, para realizar os experimentos e ajudar a analisar os dados.

A pesquisa de acompanhamento da equipe, publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences em abril, examinou "os detalhes da cinética - como os filmes de água relaxam em dois motivos estruturais, "disse Kringle." Olhamos para os detalhes das mudanças estruturais, indo além das observações qualitativas, calculando as diferenças ao começar a partir de altas e baixas temperaturas, em seguida, comparando os resultados com os modelos da literatura. "

Novas direções de pesquisa

No futuro, a equipe planeja trabalhar com a professora Valeria Molinero da Universidade de Utah para obter uma melhor compreensão da cinética e da dinâmica que ocorrem durante os experimentos de aquecimento pulsado. Molinero é especialista em simulações de dinâmica molecular de sistemas aquosos.

Colaborações como essa incorporam a visão por trás do Centro de Ciências da Energia. Os pesquisadores já estão pensando sobre as diferentes direções que o novo local e sua técnica de aquecimento pulsado poderiam levá-los - e outros.

Uma ideia é alterar a temperatura de seu experimento antes que a água alcance o estado de equilíbrio metaestável. Este ajuste permitiria que estudassem como a água "lembra" e "envelhece, "como visto na pesquisa de vidro super-resfriado.

Outra via de estudo é examinar a "água pesada" que contém deutério, um isótopo natural de hidrogênio. O deutério contém um nêutron extra que o torna mais pesado do que um átomo de hidrogênio padrão. Comparar as interações em escala quântica que ocorrem na água pesada com a água normal dará aos cientistas mais clareza sobre o comportamento estranho da água quando comparada a outros líquidos.

E porque o aquecimento a laser pulsado se presta a reações rápidas, outros pesquisadores expressaram interesse em usar a técnica para estudos de química.

Enquanto isso, Kringle tem seus próprios planos.

"As escalas de tempo de nossa técnica têm sido uma limitação quando se olha para água pura. Fiz um experimento exploratório rápido e descobri que, se adicionarmos outras moléculas à água, como monóxido de carbono, podemos mudar a temperatura onde ocorre a transição estrutural, "disse Kringle." Eu gostaria de acompanhar e ver o que está acontecendo no final da transição. Isso fornecerá informações sobre a solubilidade das outras moléculas que estamos adicionando. "

Kringle, que também é apaixonado por educação e divulgação STEM, agora é um cientista permanente, juntando-se a Kimmel e Kay na Divisão de Ciências Físicas do PNNL, liderado por Wendy Shaw.

"Loni é um grande exemplo da próxima geração de cientistas e engenheiros que levarão a batuta da descoberta científica para o futuro, não apenas no PNNL e no novo Centro de Ciência da Energia, mas em instituições de pesquisa em todo o país, "disse Shaw.