Novas evidências de que a água se separa em dois líquidos diferentes em baixas temperaturas

Crédito:Domínio Público CC0

Um novo tipo de "transição de fase" na água foi proposto pela primeira vez há 30 anos em um estudo realizado por pesquisadores da Universidade de Boston. Como a transição foi prevista para ocorrer em condições super-resfriadas, no entanto, confirmar sua existência tem sido um desafio. Isso porque a essas baixas temperaturas, a água realmente não quer ser um líquido, em vez disso, ela quer se tornar gelo rapidamente. Por causa de seu status oculto, muito ainda é desconhecido sobre essa transição de fase líquido-líquido, ao contrário dos exemplos cotidianos de transições de fase na água entre uma fase sólida ou vapor e uma fase líquida.
Esta nova evidência, publicada em Nature Physics , representa um avanço significativo na confirmação da ideia de uma transição de fase líquido-líquido proposta pela primeira vez em 1992. Francesco Sciortino, agora professor da Sapienza Università di Roma, foi membro da equipe de pesquisa original da Universidade de Boston e também co -autor deste artigo.

A equipe usou simulações de computador para ajudar a explicar quais características distinguem os dois líquidos no nível microscópico. Eles descobriram que as moléculas de água no líquido de alta densidade formam arranjos que são considerados "topologicamente complexos", como um nó de trevo (pense nas moléculas organizadas de tal forma que se assemelham a um pretzel) ou um link Hopf ( pense em dois elos de uma corrente de aço). Diz-se que as moléculas no líquido de alta densidade estão emaranhadas.

Em contraste, as moléculas no líquido de baixa densidade formam principalmente anéis simples e, portanto, as moléculas no líquido de baixa densidade são desembaraçadas.

Andreas Neophytou, Ph.D. estudante da Universidade de Birmingham com o Dr. Dwaipayan Chakrabarti, é o principal autor do artigo. Ele diz:"Esta visão nos forneceu uma visão completamente nova sobre o que agora é um problema de pesquisa de 30 anos, e esperamos que seja apenas o começo".

Os pesquisadores usaram um modelo coloidal de água em sua simulação e, em seguida, dois modelos moleculares de água amplamente utilizados. Colóides são partículas que podem ser mil vezes maiores que uma única molécula de água. Em virtude de seu tamanho relativamente maior e, portanto, movimentos mais lentos, os colóides são usados para observar e entender fenômenos físicos que também ocorrem em escalas de comprimento atômico e molecular muito menores.

Anomalias termodinâmicas e LLCP em água coloidal. um , Esquema da auto-montagem hierárquica de partículas irregulares tribloco levando a um modelo coloidal de água. Os dois patches, rotulados A e B, são de tamanhos diferentes e formam ligações de diferentes forças. Os patches A (vermelho) formam ligações mais fortes do que os patches B (azul), de modo a codificar a montagem de dois estágios após o resfriamento. b , A evolução da densidade reduzida ρ ^⋆ em função da temperatura reduzida T ^⋆ para diferentes pressões reduzidas P ^⋆ , onde P ^⋆ × 10³ = 5, 6, 7, 7,5, 8,5, 9, 10, 12, 14 e 16. A seta indica a direção do aumento de P ^⋆ . A inserção destaca a densidade máxima para P ^⋆ × 10³ = 5, 6, 7 e 7,5. c , A evolução do coeficiente de expansão térmica reduzido (α⋆PαP⋆{\alpha }_{P}^{\star}), compressibilidade isotérmica (κ⋆TκT⋆{\kappa }_{T}^{\star}) e capacidade térmica isobárica (c⋆PcP⋆{c}_{P}^{\star}) como funções de T ^⋆ em P ^⋆ = 0,0085 (próximo da pressão crítica). As barras de erro representam o desvio padrão em cinco conjuntos de trajetórias de Monte Carlo, cada uma de 1 × 10⁸ ciclos. d , A dependência de ρ ^⋆ e a fração de títulos BB formados (f _b ) em P ^⋆ em T ^⋆ = 0,105 e T ^⋆ = 0,112. e , A distribuição do parâmetro de pedido M para água coloidal (símbolos azuis), calculado usando a pesagem do histograma, com T ^⋆ ≈ 0,1075, P ^⋆ ≈ 0,0082 e s ≈ 0,627, comparado com a distribuição universal 3D Ising correspondente (linha vermelha contínua). Crédito:Física da Natureza (2022). DOI:10.1038/s41567-022-01698-6

Dr. Chakrabarti, um co-autor, diz:"Este modelo coloidal de água fornece uma lupa em água molecular, e nos permite desvendar os segredos da água sobre a história de dois líquidos."

O professor Sciortino diz:"Neste trabalho, propomos, pela primeira vez, uma visão da transição de fase líquido-líquido com base em idéias de emaranhamento de rede. Tenho certeza de que este trabalho inspirará uma nova modelagem teórica baseada em conceitos topológicos".

A equipe espera que o modelo que eles criaram abra caminho para novos experimentos que validarão a teoria e estenderão o conceito de líquidos "emaranhados" a outros líquidos, como o silício.

Pablo Debenedetti, professor de engenharia química e biológica da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos, e especialista líder mundial nesta área de pesquisa, comenta:"Este belo trabalho computacional revela a base topológica subjacente à existência de diferentes fases líquidas na mesma rede - substância formadora.

“Ao fazê-lo, enriquece substancialmente e aprofunda nossa compreensão de um fenômeno que evidências experimentais e computacionais abundantes sugerem cada vez mais ser central para a física do mais importante dos líquidos:a água”.

Christian Micheletti, professor da Escola Internacional de Estudos Avançados em Trieste, Itália, cujo interesse atual de pesquisa é entender o impacto do emaranhamento, especialmente nós e ligações, na estática, cinética e funcionalidade dos biopolímeros, diz:"Com este único artigo , Neophytou et al., fizeram vários avanços que terão consequências em diversas áreas científicas.

"Primeiro, seu modelo coloidal elegante e experimentalmente acessível para a água abre perspectivas inteiramente novas para estudos de líquidos em larga escala. prontamente captados rastreando os nós e links na rede de títulos do líquido.

“A ideia de procurar por tais complexidades no espaço um tanto abstrato de caminhos que percorrem ligações moleculares transitórias é muito poderosa, e espero que seja amplamente adotada para estudar sistemas moleculares complexos”.

Sciortino diz:"A água, uma após a outra, revela seus segredos. Sonhe como seria bonito se pudéssemos olhar dentro do líquido e observar a dança das moléculas de água, a forma como elas piscam e a maneira como elas trocam de parceiros, reestruturando a rede de ligações de hidrogênio. A realização do modelo coloidal para a água que propomos pode tornar esse sonho realidade." + Explorar mais