A a¡gua, tão comum e essencial a  vida, age de maneira bastante intrigante para os cientistas. Por exemplo, por que o gelo émenos denso que a a¡gua, flutuando em vez de afundar como outros la­quidos quando congelam?

Agora, um novo estudo fornece fortes evidaªncias para uma teoria controversa de que a temperaturas muito baixas a águapode existir em duas formas la­quidas distintas, sendo uma menos densa e mais estruturada que a outra.

Pesquisadores da Universidade de Princeton e da Universidade Sapienza de Roma realizaram simulações por computador de moléculas de águapara descobrir o ponto crítico no qual uma fase la­quida se transforma na outra. O estudo foi publicado esta semana na revista Science .

"A presença do ponto crítico fornece uma explicação muito simples para as esquisitices da a¡gua", disse o diretor de pesquisa de Princeton, Pablo Debenedetti, professor de engenharia e ciências aplicadas da turma de 1950 e professor de engenharia química e biológica. "A descoberta do ponto crítico éequivalente a encontrar uma explicação boa e simples para muitas coisas que tornam a águaestranha, especialmente a baixas temperaturas".

As peculiaridades da águaincluem que, a  medida que a águaesfria, ela se expande e não se contrai, e épor isso que a águacongelada émenos densa que a águala­quida . A águatambém se torna mais flexa­vel ou compressa­vel a temperaturas mais baixas. Existem também pelo menos 17 maneiras pelas quais suas moléculas podem se organizar quando congeladas.

Um ponto crítico éum valor aºnico de temperatura e pressão, no qual duas fases da matéria se tornam indistingua­veis, e ocorre imediatamente antes da matéria se transformar de uma fase para outra.

As esquisitices da águasão facilmente explicadas pela presença de um ponto cra­tico, disse Debenedetti. A presença de um ponto crítico ésentida nas propriedades da substância bem distantes do pra³prio ponto cra­tico. No ponto cra­tico, a compressibilidade e outras medidas termodina¢micas de como as moléculas se comportam, como a capacidade de aquecimento, são infinitas.

Usando dois manãtodos computacionais diferentes e dois modelos computacionais de águaaltamente reala­sticos, a equipe identificou o ponto crítico la­quido-la­quido como estando em uma faixa de cerca de 190 a 170 graus Kelvin (cerca de -117 graus a -153 graus Fahrenheit) a cerca de 2.000 vezes a pressão atmosfanãrica aoníveldo mar.

 

A detecção do ponto crítico éum passo satisfata³rio para os pesquisadores envolvidos na busca de décadas para determinar a explicação física subjacente para as propriedades incomuns da a¡gua. Va¡rias décadas atrás, os fa­sicos teorizaram que o resfriamento da águaa temperaturas abaixo de seu ponto de congelamento, mantendo-a como um la­quido - um estado "super-resfriado" que ocorre nas nuvens de altitude - exporia as duas formas la­quidas únicas da águaa pressaµes suficientemente altas.

Para testar a teoria, os pesquisadores se voltaram para simulações em computador . Atéagora, experiências com moléculas de águada vida real não forneceram evidaªncias inequa­vocas de um ponto cra­tico, em parte devido a  tendaªncia de a águasuper-resfriada congelar rapidamente no gelo.

Francesco Sciortino, professor de física da Universidade Sapienza de Roma, conduziu um dos primeiros estudos de modelagem enquanto pesquisador de pa³s-doutorado em 1992. Esse estudo, publicado na revista Nature , foi o primeiro a sugerir a existaªncia de um ponto crítico entre as duas formas la­quidas.

A nova descoberta éextremamente satisfata³ria para Sciortino, que também éco-autor do novo estudo na Science . O novo estudo usou os computadores de pesquisa muito mais rápidos e poderosos de hoje e modelos de águamais novos e mais precisos. Mesmo com os poderosos computadores de pesquisa atuais, as simulações levaram aproximadamente 1,5 anos de tempo de computação.

"Vocaª pode imaginar a alegria quando comea§amos a ver as flutuações cra­ticas se comportando exatamente como deveriam", disse Sciortino. "Agora eu consigo dormir bem, porque depois de 25 anos, minha ideia original foi confirmada."

No caso das duas formas la­quidas de a¡gua, as duas fases coexistem em um equila­brio desconforta¡vel a temperaturas abaixo de zero e a pressaµes suficientemente altas. Amedida que a temperatura diminui, as duas fases la­quidas se envolvem em um cabo de guerra atéque uma vence e o la­quido inteiro se torna de baixa densidade.

Nas simulações realizadas pelo pesquisador de pa³s-doutorado Ga¼l Zerze, em Princeton e Sciortino, em Roma, quando diminua­ram a temperatura bem abaixo do ponto de congelamento na faixa super-resfriada, a densidade da águaflutuou descontroladamente, exatamente como previsto.

a‰ prova¡vel que alguns dos comportamentos estranhos da águaestejam por trás das propriedades vitais da a¡gua, disse Zerze. "O fluido da vida éa a¡gua, mas ainda não sabemos exatamente por que a águanão pode ser substitua­da por outro la­quido. Acreditamos que a razãoesteja relacionada ao comportamento anormal da a¡gua. Outros la­quidos não mostram esses comportamentos, então isso deve estar ligado a  águacomo o la­quido da vida ".

As duas fases da águaocorrem porque o formato da molanãcula de águapode levar a duas maneiras de se juntar. No la­quido de menor densidade, quatro moléculas se agrupam em torno de uma quinta molanãcula central em uma forma geomanãtrica chamada tetraedro. No la­quido de alta densidade, uma sexta molanãcula aperta, o que tem o efeito de aumentar a densidade local.

A equipe detectou o ponto crítico em dois diferentes modelos computacionais de a¡gua. Para cada modelo, os pesquisadores submeteram as moléculas de águaa duas abordagens computacionais diferentes para procurar o ponto cra­tico. Ambas as abordagens renderam a descoberta de um ponto cra­tico.

Peter Poole, professor de física na Universidade St. Francis Xavier, no Canada¡, e estudante de graduação quando colaborou com Sciortino e co-autor do artigo de 1992 na revista Nature, disse que o resultado foi satisfatório. "a‰ muito reconfortante ter esse novo resultado", disse ele. "Tem sido uma espera longa e a s vezes solita¡ria desde 1992 para ver outro caso inequa­voco de transição de fase la­quido-la­quido em um modelo realista de a¡gua".

C. Austen Angell, professor de regentes da Arizona State University, éum dos pioneiros em experimentos nos anos 70 sobre a natureza da águasuper-resfriada. "Sem daºvida, este éum esfora§o hera³ico na simulação da física da águacom uma conclusão muito interessante e bem-vinda", disse Angell, que não estava envolvido no presente estudo, em um email. "Como experimentalista, com acesso a medições físicas de equila­brio (a longo prazo) na águareal, sempre me senti 'seguro' da preempção por simuladores de computador. Mas os dados apresentados no novo artigo mostram que isso não émais verdade".