A água pode parecer aborrecida, mas é muito mais estranha do que aparenta. Cientistas no Japão demonstraram agora que, quando é confinada em espaços muito apertados, as moléculas de água conseguem comportar-se como um sólido e como um líquido ao mesmo tempo.
Água em confinamento extremo e o estado de pré-fusão
As diferenças entre a água líquida e o gelo que sentimos à escala macroscópica começam no microscópico. No gelo, as moléculas ficam presas em estruturas rígidas; já na água, movem-se com liberdade, formando e desfazendo ligações de forma contínua.
No estado invulgar descrito no novo artigo, as moléculas fazem, de certa forma, as duas coisas. Mantêm-se em posições fixas, como no gelo, mas rodam rapidamente, tal como num líquido. Esta condição, conhecida como estado de pré-fusão, tinha escapado até agora à observação directa.
“O estado de pré-fusão envolve a fusão de H2O com ligações de hidrogénio incompletas antes de a estrutura de gelo completamente congelada começar a fundir durante o processo de aquecimento”, afirma Makoto Tadokoro, químico da Universidade de Ciência de Tóquio.
“Essencialmente, constitui uma nova fase da água em que camadas de H2O congelado e H2O em movimento lento coexistem.”
Captar este comportamento peculiar exigiu uma montagem experimental complexa. Para começar, a água usada não foi exactamente a que encontramos no dia a dia: tratava-se de “água pesada”, em que os átomos de hidrogénio são substituídos por deutério, um isótopo do hidrogénio que inclui um neutrão no núcleo.
Este “D2O” foi então aprisionado num espaço extremamente estreito, um cenário em que emergem vários comportamentos exóticos. Os investigadores produziram cristais em forma de bastão com canais hidrofílicos minúsculos, com apenas 1,6 nanómetros de largura, congelaram a água pesada no interior e depois aqueceram-na lentamente.
Por fim, acompanharam todo o processo através de espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) de deutério em estado sólido estático. As medições mostraram que as moléculas se organizavam numa estrutura hierárquica com três camadas, em que cada camada apresentava tipos distintos de movimento e de interacção.
O estado de pré-fusão é provavelmente mais familiar como a película fina de água que se forma na superfície do gelo, mesmo quando a temperatura continua abaixo de 0 °C. Contudo, no gelo em massa este fenómeno manifesta-se de modo diferente daquele que ocorre sob confinamento extremo.
Já se sabe que, à nanoescala, a água pode apresentar comportamentos pouco comuns. As suas propriedades eléctricas podem alterar-se; pode tornar-se “impossível de congelar” mesmo a temperaturas próximas do zero absoluto; ou, pelo contrário, pode solidificar em temperaturas que, em condições normais, a fariam ferver.
Segundo a equipa, explorar estas particularidades também poderá ter utilidade prática.
“Ao criar novas estruturas de rede de gelo, poderá ser possível armazenar gases energéticos como hidrogénio e metano e desenvolver materiais à base de água, como hidratos de gás artificiais”, diz Tadokoro.
A investigação foi publicada na Revista da Sociedade Química Americana.
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