Pesquisadores da Universidade de Estocolmo usaram lasers avançados de raios X para descobrir uma propriedade da água há muito suspeitada: um ponto crítico que aparece quando a água é profundamente resfriada. Ocorre a cerca de -63 graus Celsius e 1000 atmosferas. Mesmo em condições cotidianas, esse ponto oculto afeta o comportamento da água, ajudando a explicar muitas de suas propriedades incomuns. Os resultados foram publicados na revista ciência.
A água está em toda parte e é essencial à vida, mas não funciona como outros líquidos. Propriedades como densidade, capacidade térmica, viscosidade e compressibilidade respondem à temperatura e à pressão de maneiras opostas às que os cientistas veem nos materiais comuns.
Na maioria dos materiais, o resfriamento faz com que eles se contraiam e engrossem. Com base neste padrão, a água deve atingir a sua densidade máxima quando congela. Em vez disso, o gelo flutua e a água líquida é, na verdade, mais densa a 4 graus Celsius. É por isso que a água fria fica abaixo da água quente em lagos e oceanos.
Quando a água esfria abaixo de 4 graus, ela começa a se expandir novamente. Se a água pura for resfriada abaixo de 0 graus (onde a cristalização é lenta), essa expansão continua e até acelera à medida que a temperatura cai ainda mais. Outras propriedades, incluindo a compressibilidade e a capacidade térmica, também se comportam de maneira cada vez mais incomum à medida que a temperatura diminui.
Capturando o estado oculto da água com um laser de raios X
Para investigar esses comportamentos estranhos, os cientistas usaram pulsos de raios X extremamente rápidos gerados por poderosos lasers na Coreia do Sul. Esses pulsos permitem observar a água em um estado super-resfriado pouco antes de congelar.
“O que foi especial foi que conseguimos captar raios X com uma rapidez inimaginável antes do gelo solidificar e observar como a transição líquido-líquido desaparece e surge um novo estado crítico”, diz Anders Nilsson, professor de física química no Departamento de Física da Universidade de Estocolmo. “Houve décadas de hipóteses e várias teorias para explicar estas propriedades extraordinárias, e uma teoria é a existência de um ponto crítico. Agora descobrimos que tal ponto existe.”
A água tem duas formas líquidas e uma transição complexa
Sob baixa temperatura e alta pressão, a água pode existir como duas fases líquidas distintas com diferentes estruturas de ligação molecular. À medida que as condições mudam, estas duas formas fundem-se numa única fase no ponto crítico.
Perto deste ponto, o sistema torna-se altamente instável e a água transita rapidamente entre os dois estados líquidos ou a sua mistura. Estas flutuações estendem-se por uma ampla gama de temperaturas e pressões, atingindo até mesmo condições ambientais normais. Os cientistas acreditam que estas mudanças constantes conferem à água propriedades incomuns.
Além do ponto crítico, a água entra em estado supercrítico e nas condições cotidianas já existe neste regime.
Um efeito “semelhante a um buraco negro” na dinâmica da água
Os pesquisadores também descobriram que o movimento molecular diminui drasticamente à medida que a água se aproxima do ponto crítico.
“Parece que se entrarmos nele como num buraco negro, não conseguiremos escapar do ponto crítico”, diz Robin Tybarsky, investigador de física química na Universidade de Estocolmo.
Uma década inovadora em formação
“É incrível como o gelo amorfo, um estado da água tão amplamente estudado, se tornou a nossa porta de entrada para a região crítica. É uma grande inspiração para o meu estudo mais aprofundado e um lembrete das possibilidades de descoberta em tópicos muito estudados como a água.”
“Ser capaz de medir a água em condições de temperatura tão baixa sem congelar era um sonho”, diz Ysson Andronis, estudante de doutoramento em física química na Universidade de Estocolmo. “Muitos sonharam em encontrar este ponto crítico, mas os meios não estavam disponíveis antes do desenvolvimento dos lasers de raios X”.
“Acho muito emocionante que a água seja o único fluido supercrítico que existe na atmosfera e também sabemos que sem água não há vida. Isto é pura coincidência ou existe algum conhecimento necessário para nós no futuro?” diz Fivos Perakis, professor associado de física química na Universidade de Estocolmo.
Resolvendo o mistério centenário da água
“Durante mais de um século, desde os primeiros trabalhos de Wolfgang Röntgen, a origem das propriedades peculiares da água tem sido intensamente debatida”, explica Anders Nilsson. “Os pesquisadores que estudam a física da água podem agora determinar neste modelo que a água tem um ponto de inflexão no regime super-resfriado. O próximo passo é explorar as implicações dessas descobertas sobre a importância da água nos processos físicos, químicos, biológicos, geológicos e climáticos. Um grande desafio nos próximos anos.”
Cooperação internacional por trás da descoberta
A pesquisa envolveu a colaboração entre a Universidade de Estocolmo, a Universidade Posttek e a PAL-XFEL na Coreia do Sul, a Sociedade Max Planck, a Universidade Johannes Gutenberg na Alemanha e a Universidade St. Os colaboradores incluíram ex-membros do grupo de física química da Universidade de Estocolmo, juntamente com Eigerim Corinna, Robin Tybersky, Iason Andronis e Fivos Perakis.
