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A água super-resfriada é um líquido estável, constatam os cientistas pela primeira vez
Esses estudos também podem ajudar a compreender como a água líquida pode existir em planetas muito frios - Júpiter, Saturno, Urano e Netuno - em nosso sistema solar e além.
Por Pacific Northwest National Laboratory - 17/03/2020


Os cientistas capturaram mudanças reversíveis na estrutura da água super-resfriada pela primeira vez, usando aquecimento a laser pulsado e espectroscopia infravermelha. Crédito: Timothy Holland, Pacific Northwest National Laboratory

A água super-resfriada é na verdade dois líquidos em um. Essa é a conclusão a que chegou uma equipe de pesquisa do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico, do Departamento de Energia dos EUA, depois de fazer as primeiras medições de água líquida em temperaturas muito mais frias do que seu ponto de congelamento típico.

A descoberta, publicada hoje na revista Science , fornece dados experimentais há muito procurados para explicar alguns dos comportamentos bizarros que a água exibe em temperaturas extremamente baixas encontradas no espaço sideral e nos confins da própria atmosfera da Terra. Até agora, a água líquida nas temperaturas mais extremas possíveis tem sido o assunto de teorias e conjecturas concorrentes. Alguns cientistas perguntaram se é mesmo possível que a água realmente exista como um líquido em temperaturas tão baixas quanto -117,7 F (190 K) ou se o comportamento estranho é apenas a água se reorganizando em seu caminho inevitável para um sólido.

O argumento é importante porque entender a água, que cobre 71% da superfície da Terra, é fundamental para entender como ela regula nosso meio ambiente, nossos corpos e a própria vida.

"Mostramos que a água líquida em temperaturas extremamente frias não é apenas relativamente estável, ela existe em dois motivos estruturais", disse Greg Kimmel, físico químico do PNNL. "As descobertas explicam uma controvérsia de longa data sobre se a água super-resfriada sempre cristaliza ou não antes de se equilibrar. A resposta é: não."

Água super-resfriada: um conto de dois líquidos

Você pensaria que agora entendemos a água. É uma das substâncias mais abundantes e estudadas do planeta. Mas, apesar das suas aparentes simplicidade e dois átomos de hidrogénio e um átomo de oxigénio por molécula-H 2 O está aparentemente complicado.

É surpreendentemente difícil para a água congelar logo abaixo de seu ponto de derretimento: a água resiste ao congelamento, a menos que tenha algo para começar, como poeira ou algum outro sólido para se agarrar. Em água pura, é preciso um empurrãozinho enérgico para empurrar as moléculas para o arranjo especial necessário para congelar. E se expande quando congela, o que é um comportamento estranho em comparação com outros líquidos. Mas essa estranheza é o que sustenta a vida na Terra. Se os cubos de gelo afundassem ou o vapor d'água na atmosfera não retivesse o calor, a vida na Terra como a conhecemos não existiria.
 
O comportamento estranho da água manteve os físicos químicos Bruce Kay e Greg Kimmel ocupados por mais de 25 anos. Agora, eles e os cientistas de pós-doutorado Loni Kringle e Wyatt Thornley alcançaram um marco que esperam expandir nossa compreensão das contorções que as moléculas de água líquida podem fazer.

Vários modelos foram propostos para explicar as propriedades incomuns da água. Os novos dados obtidos usando uma espécie de "instantâneo" em stop-motion de água super-resfriada mostram que ela pode se condensar em uma estrutura semelhante a um líquido de alta densidade . Esta forma de densidade mais alta coexiste com uma estrutura de densidade mais baixa que está mais em linha com a ligação típica esperada para água. A proporção de líquido de alta densidade diminui rapidamente conforme a temperatura vai de -18,7 F (245 K) para -117,7 F (190 K), apoiando as previsões de modelos de "mistura" para água super-resfriada.

Kringle e Thornley usaram espectroscopia infravermelha para espiar as moléculas de água presas em uma espécie de stop motion quando uma fina película de gelo foi atingida por um laser, criando uma água líquida super-resfriada por alguns nanossegundos fugazes.

"Uma observação importante é que todas as mudanças estruturais foram reversíveis e reproduzíveis", disse Kringle, que realizou muitos dos experimentos.

Graupel: é água super-resfriada!

Esta pesquisa pode ajudar a explicar o graupel, as pelotas fofas que às vezes caem durante tempestades de clima frio. Graupel se forma quando um floco de neve interage com água líquida super-resfriada na alta atmosfera.

"A água líquida na atmosfera superior é profundamente resfriada", diz Kay, um colega de laboratório do PNNL e especialista em física da água. "Quando ele encontra um floco de neve, ele congela rapidamente e, nas condições certas, cai na Terra. É realmente o único momento em que a maioria das pessoas sentirá os efeitos da água super-resfriada."

Esses estudos também podem ajudar a compreender como a água líquida pode existir em planetas muito frios - Júpiter, Saturno, Urano e Netuno - em nosso sistema solar e além. O vapor de água super-resfriado também cria as belas caudas que ficam atrás dos cometas.

Ginástica de moléculas de água

Aqui na Terra, uma melhor compreensão das contorções que a água pode realizar quando colocada em uma situação apertada, como uma única molécula de água presa em uma proteína, pode ajudar os cientistas a desenvolver novos medicamentos.

"Não há muito espaço para as moléculas de água que circundam as proteínas individuais", disse Kringle. "Esta pesquisa pode lançar luz sobre como a água líquida se comporta em ambientes compactos."

Thornley observou que "em estudos futuros, podemos usar esta nova técnica para seguir os rearranjos moleculares subjacentes a uma ampla gama de reações químicas."

Ainda há muito a aprender, e essas medições ajudarão a abrir o caminho para uma melhor compreensão do líquido vitalizador mais abundante da Terra.

 

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