A água é certamente o líquido mais conhecido do mundo. Desempenha um papel crucial em todos os processos biológicos e em muitos processos químicos. As próprias moléculas de água dificilmente guardam segredos. Na escola aprendemos que a água consiste em um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio. Conhecemos até o ângulo obtuso típico que as duas pernas O-H formam uma com a outra. Além disso, sabemos quando a água ferve ou congela e como essas transições de fase estão relacionadas à pressão.
Mas entre os fatos sobre moléculas individuais e uma compreensão mais profunda dos fenômenos macroscópicos, há uma ampla área de incerteza:apenas informações estatísticas são conhecidas sobre o comportamento das moléculas individuais na água líquida normal. As moléculas de água na fase líquida formam uma rede flutuante de ligações de hidrogênio, desordenadas e densas, e suas interações não são tão bem compreendidas quanto no estado gasoso.

Água líquida pura examinada

Agora, uma equipe liderada pela física do HZB, Dra. Annette Pietzsch, deu uma olhada mais de perto na água líquida pura à temperatura ambiente e pressão normal. Usando análise de raios-X na Swiss Light Source do Instituto Paul Scherrer e modelagem estatística, os cientistas conseguiram mapear as chamadas superfícies de energia potencial das moléculas de água individuais no estado fundamental, que vêm em uma grande variedade de formas dependendo de seu ambiente.

Oscilações e vibrações medidas

"A coisa especial aqui é o método:estudamos as moléculas de água na linha de luz ADRESS usando espalhamento inelástico de raios-X ressonante. Simplificando, cutucamos moléculas individuais com muito cuidado e depois medimos como elas voltaram ao estado fundamental", diz Pietzsch . As excitações de baixa energia levaram a oscilações de alongamento e outras vibrações, que - combinadas com cálculos de modelo - produziram uma imagem detalhada das superfícies potenciais.

"Isso nos dá um método para determinar experimentalmente a energia de uma molécula em função de sua estrutura", explica Pietzsch. "Os resultados ajudam a esclarecer a química da água, por exemplo, para entender melhor como a água se comporta como solvente."

Os resultados foram publicados em Proceedings of the National Academy of Sciences .

Perspectivas:METRIXS na BESSY II

Os próximos experimentos já estão planejados na fonte de raios-X BESSY II em HZB. Lá, Annette Pietzsch e sua equipe montaram a estação de medição METRIXS, projetada precisamente para investigar amostras líquidas com experimentos RIXS. "Após a paralisação de verão devido aos trabalhos de manutenção no BESSY II, começaremos com os primeiros testes de nossos instrumentos. E então podemos seguir em frente." + Explorar mais

Medindo a química:impressão digital local das ligações de hidrogênio capturadas em experimentos