Cientistas da Universidade de Tóquio usam um modelo de dois estados baseado na formação de estruturas tetraédricas para explicar as propriedades anômalas da água e a surpreendente transição líquido-líquido da água. Crédito: Instituto de Ciência Industrial, Universidade de Tóquio.

Pesquisadores do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio vasculharam dados experimentais para sondar a possibilidade de que a água super-resfriada tenha uma transição de fase líquido para líquido entre as formas desordenada e estruturada tetraedricamente. Eles encontraram evidências de um ponto crítico com base na formação cooperativa de tetraedros e mostram seu papel menor nas anomalias da água. Este trabalho mostra que as qualidades especiais da água – que são essenciais para a vida – originam-se predominantemente do recurso de dois estados.

A água líquida é indispensável para a vida como a conhecemos, mas muitas de suas propriedades não estão de acordo com o comportamento de outros fluidos. Algumas dessas anomalias, como a densidade máxima da água a 4°C e sua grande capacidade de calor, têm implicações importantes para os organismos vivos. A origem desses recursos gerou debates acirrados na comunidade científica desde a época de Röntgen.

Agora, pesquisadores da Universidade de Tóquio utilizaram um modelo de dois estados que postula a coexistência dinâmica de dois tipos de estruturas moleculares na água líquida. Essas são a conhecida estrutura líquido normal desordenada e uma estrutura tetraédrica localmente favorecida. Como acontece com muitas outras transições de fase, pode haver um “ponto crítico” no qual a correlação entre os tetraedros assume a forma de lei de potência, o que significa que não haverá mais nenhuma escala de comprimento “típica”.

Usando simulações de computador de moléculas de água, juntamente com uma análise abrangente de dados experimentais estruturais, termodinâmicos e dinâmicos – incluindo dispersão de raios-X, densidade, compressibilidade e medições de viscosidade – os pesquisadores foram capazes de restringir onde um ponto crítico deveria estar, se existe.

“Se a formação de estruturas tetraédricas em água líquida for cooperativa sob essas condições, então uma transição de fase líquido-líquido com um ponto crítico é possível”, disse o autor principal Rui Shi.

A equipe mostrou que isso ocorre em torno de uma temperatura de -90 ° C e uma pressão de cerca de 1.700 atmosferas. Experimentos nessa faixa são extremamente difíceis: como a água está muito abaixo de seu congelamento normal, cristais de gelo podem se formar rapidamente. No entanto, as amostras podem permanecer líquidas em um estado “super-resfriado” metaestável a essas pressões muito altas.

“Vimos evidências de que o ponto crítico é real, mas seu efeito é quase desprezível na região experimentalmente acessível da água líquida porque está muito longe do ponto crítico. Isso significa que as anomalias da água vêm da característica de dois estados e não de criticidade”, diz o autor Hajime Tanaka. Os cientistas antecipam que este projeto levará à convergência do longo debate sobre a origem das anomalias da água e a mais pesquisas experimentais para acessar o segundo ponto crítico da água.

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