A água é o líquido mais abundante e menos compreendido na natureza. Ele exibe muitos comportamentos estranhos que os cientistas ainda lutam para explicar. Enquanto a maioria dos líquidos fica mais densa à medida que fica mais fria, a água é mais densa a 39 graus Fahrenheit, logo acima de seu ponto de congelamento. É por isso que o gelo flutua no topo de um copo e os lagos congelam da superfície para baixo, permitindo que a vida marinha sobreviva a invernos frios. A água também tem uma tensão superficial excepcionalmente alta, permitindo que os insetos andem em sua superfície, e uma grande capacidade de armazenar calor, mantendo as temperaturas do oceano estáveis.

Agora, uma equipe que inclui pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia, A Universidade de Stanford e a Universidade de Estocolmo, na Suécia, fizeram a primeira observação direta de como os átomos de hidrogênio nas moléculas de água puxam e empurram as moléculas de água vizinhas quando são excitadas com luz laser. Seus resultados, publicado em Natureza hoje, revelam efeitos que podem sustentar aspectos-chave da origem microscópica das propriedades estranhas da água e podem levar a uma melhor compreensão de como a água ajuda as proteínas a funcionar em organismos vivos.

"Embora este chamado efeito quântico nuclear tenha sido hipotetizado como estando no cerne de muitas das propriedades estranhas da água, este experimento marca a primeira vez que foi observado diretamente, "disse o colaborador do estudo Anders Nilsson, professor de física química na Universidade de Estocolmo. "A questão é se esse efeito quântico poderia ser o elo perdido em modelos teóricos que descrevem as propriedades anômalas da água."

Cada molécula de água contém um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio, e uma teia de ligações de hidrogênio entre átomos de hidrogênio carregados positivamente em uma molécula e átomos de oxigênio carregados negativamente em moléculas vizinhas os mantém todos juntos. Esta rede intrincada é a força motriz por trás de muitas propriedades inexplicáveis ​​da água, mas até recentemente, os pesquisadores não foram capazes de observar diretamente como uma molécula de água interage com suas vizinhas.

"A baixa massa dos átomos de hidrogênio acentua seu comportamento de onda quântica, "disse a colaboradora Kelly Gaffney, um cientista do Stanford Pulse Institute no SLAC. "Este estudo é o primeiro a demonstrar diretamente que a resposta da rede de ligações de hidrogênio a um impulso de energia depende criticamente da natureza mecânica quântica de como os átomos de hidrogênio estão espaçados, que há muito se acredita ser responsável pelos atributos únicos da água e de sua rede de ligações de hidrogênio. "

Ame o seu vizinho

Até agora, fazer essa observação foi desafiador porque os movimentos das ligações de hidrogênio são muito pequenos e rápidos. Este experimento superou esse problema usando MeV-UED do SLAC, uma "câmera de elétrons" de alta velocidade que detecta movimentos moleculares sutis espalhando um poderoso feixe de elétrons das amostras.

A equipe de pesquisa criou jatos de água líquida com 100 nanômetros de espessura - cerca de 1, 000 vezes mais fino que a largura de um cabelo humano - e faz as moléculas de água vibrarem com luz laser infravermelha. Em seguida, eles explodiram as moléculas com pulsos curtos de elétrons de alta energia do MeV-UED.

Isso gerou instantâneos de alta resolução da mudança da estrutura atômica das moléculas, que elas uniram em um filme em stop-motion de como a rede de moléculas de água respondia à luz.

Os instantâneos, que se concentrava em grupos de três moléculas de água, revelou que quando uma molécula de água excitada começa a vibrar, seu átomo de hidrogênio puxa os átomos de oxigênio das moléculas de água vizinhas para mais perto antes de afastá-los com sua força recém-descoberta, expandindo o espaço entre as moléculas.

"Por muito tempo, pesquisadores têm tentado entender a rede de ligações de hidrogênio usando técnicas de espectroscopia, "disse Jie Yang, um ex-cientista do SLAC e agora professor da Universidade Tsinghua na China, quem conduziu o estudo. "A beleza desse experimento é que, pela primeira vez, fomos capazes de observar diretamente como essas moléculas se movem."

Uma janela na água

Os pesquisadores esperam usar este método para obter mais informações sobre a natureza quântica das ligações de hidrogênio e o papel que desempenham nas propriedades estranhas da água, bem como o papel fundamental que essas propriedades desempenham em muitos processos químicos e biológicos.

"Isso realmente abriu uma nova janela para estudar a água, "disse Xijie Wang, um distinto cientista da equipe do SLAC e colaborador de estudos. "Agora que podemos finalmente ver as ligações de hidrogênio se movendo, gostaríamos de conectar esses movimentos com o quadro mais amplo, que pode lançar luz sobre como a água levou à origem e sobrevivência da vida na Terra e informar o desenvolvimento de métodos de energia renovável. "

MeV-UED é um instrumento da facilidade do usuário LCLS, operado pela SLAC em nome do DOE Office of Science, que financiou esta pesquisa.