Não há dúvida de que a água é significativa. Sem ele, a vida nunca teria começado, e muito menos continuaria hoje – para não mencionar o seu papel no próprio ambiente, com os oceanos cobrindo mais de 70% da Terra.



Mas, apesar de sua onipresença, a água líquida apresenta algumas complexidades eletrônicas que há muito intrigam os cientistas da química, da física e da tecnologia. Por exemplo, a afinidade eletrônica, isto é, a estabilização energética sofrida por um elétron livre quando capturado pela água, permaneceu pouco caracterizada do ponto de vista experimental.

Mesmo a teoria da estrutura electrónica mais precisa da actualidade não foi capaz de clarificar o quadro, o que significa que quantidades físicas importantes, como a energia à qual os electrões de fontes externas podem ser injectados na água líquida, permanecem indefinidas. Essas propriedades são cruciais para a compreensão do comportamento dos elétrons na água e podem desempenhar um papel em sistemas biológicos, ciclos ambientais e aplicações tecnológicas como a conversão de energia solar.

Num estudo recente, os investigadores da EPFL Alexey Tal, Thomas Bischoff e Alfredo Pasquarello fizeram avanços significativos na decifração do puzzle. O estudo deles, publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences , aborda a estrutura eletrônica da água usando métodos computacionais que vão além das abordagens mais avançadas da atualidade.

Os pesquisadores estudaram a água usando um método baseado na “teoria da perturbação de muitos corpos”. Esta é uma estrutura matemática complexa usada para estudar as interações de múltiplas partículas dentro de um sistema, como elétrons em um sólido ou uma molécula, explorando como essas partículas afetam o comportamento umas das outras, não isoladamente, mas como parte de um grupo maior de interação.

Dito de forma relativamente simples, a teoria da perturbação de muitos corpos é uma forma de calcular e prever as propriedades de um sistema de muitas partículas, levando em consideração todas as interações complexas entre seus componentes.

Mas os físicos ajustaram a teoria com “correções de vértices”:modificações na teoria de perturbação de muitos corpos que explicam as interações complexas entre partículas além das aproximações mais simples.

As correções de vértices refinam a teoria levando em consideração como essas interações afetam os níveis de energia das partículas, por exemplo, sua resposta a campos externos ou sua autoenergia. Resumindo, as correções de vértices levam a previsões mais precisas das propriedades físicas em um sistema de muitas partículas.

Modelagem das propriedades eletrônicas da água

Modelar água líquida é particularmente desafiador. Uma molécula de água contém um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio, e tanto o seu movimento térmico quanto a natureza quântica de seus núcleos desempenham um papel fundamental. Tendo em conta estes aspectos, os investigadores determinaram com precisão as propriedades electrónicas da água, tais como o seu potencial de ionização, afinidade electrónica e band gap. Estas descobertas são essenciais para compreender como a água interage com a luz e outras substâncias a nível eletrónico.

“Nosso estudo dos níveis de energia da água concilia teoria de alto nível com experimento”, diz Alfredo Pasquarello. Alexey Tal enfatiza ainda a importância da nova metodologia:“Graças à descrição avançada da estrutura eletrônica, também conseguimos produzir um espectro de absorção preciso”.

As descobertas têm implicações adicionais. Os desenvolvimentos teóricos aplicados pela equipe da EPFL estabelecem as bases para um novo padrão universalmente aplicável para obter estruturas eletrônicas precisas de materiais. Isto fornece uma ferramenta altamente preditiva que poderia potencialmente revolucionar a nossa compreensão fundamental das propriedades eletrônicas na ciência da matéria condensada, com aplicações na busca de propriedades de materiais com funcionalidades eletrônicas específicas.

Mais informações: Tal, Alexey et al, Níveis de energia absoluta de água líquida a partir da teoria de perturbação de muitos corpos com correções de vértices eficazes, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2311472121. doi.org/10.1073/pnas.2311472121
Informações do diário: Anais da Academia Nacional de Ciências

Fornecido pela École Polytechnique Federale de Lausanne