Modelo quãntico da molécula da água
P. J. MacDougall
Essa é a afirmação feita por um grupo de físicos do Reino Unido e Estados Unidos, que fizeram medições extremamente sensíveis dos prótons em pequenas amostras de água e descobriram que essas partículas de prótons se comportam de forma muito diferente às de amostra muito maior.
A água tem uma série de propriedades que o distinguem de outras substâncias e que a tornam particularmente adequadas para sustentar a vida. Por exemplo, o fato de que a água em estado sólido é menos densa do que em estado líquido e que sua densidade máxima ocorre aos 4°C significa que os lagos congelam de cima para baixo, algo que era vital para a manutenção vida durante as eras glaciais na Terra.
No mais recente trabalho, George Reiter e seus colegas, da Universidade de Houston (EUA) focalizou na ligação de hidrogênio, que é a chave para as propriedades incomuns da água. Esta ponte de hidrogênio nas moléculas de água é caracterizada pela conexão do átomo de oxigênio de uma molécula com o átomo de hidrogênio de outra. As ligações de hidrogênio são normalmente consideradas principalmente como um fenômeno eletrostático, ou seja, que a água consiste de moléculas discretas ligadas entre si através de cargas positivas e negativas,que residem nos átomos de hidrogênio e oxigênio, respectivamente
Diagrama molecular de água líquida
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Esta imagem simples é capaz de explicar algumas das características da água, tais como a sua estrutura, cujas previsões do modelo são coerentes com os resultados experimentais de espalhamento de nêutrons, que revelam quão distantes em média, um átomo de oxigênio está em relação ao seguinte.
O que Reiter e sua equipe descobriram é que este modelo eletrostático não pode ser usado para prever as energias de prótons individuais dentro de moléculas de água. Eles chegaram a essa conclusão depois de confinar a água dentro de nanotubos de carbono de 1,6 nm de diâmetro e, em seguida, expor esses nanotubos à fonte de nêutrons de alta energia ISIS no laboratório Rutherford Appleton, no Reino Unido. O ISIS é um acelerador de prótons, cuja energia é de 800 MeV, produzindo intensos pulsos de 50 prótons por segundo.
A distribuição do momento dos prótons é fortemente dependente da temperatura, apresentando uma energia cinética 50% maior do que o previsto pelo modelo eletrostático em temperaturas baixas, e 20% maior a temperatura ambiente. O modelo eletrostático dá previsões razoavelmente precisas apenas para a água em grande volume a temperatura ambiente.
A equipe alega que isso é prova de que os prótons existem em um estado quântico observado anteriormente, quando a água está confinada a um volume muito pequeno, um estado que não é descrito pelo modelo eletrostático. Eles dizem que enquanto a distâncias de 0,1 nm que as moléculas geralmente separam apenas o potencial intermolecular também exerce uma força significativa, na escala de 0,01 nm, típico de um próton indivíduo potenciais flutuações quânticas também responsável que ocorrem ao longo das ligações de hidrogênio se tornam significativos. Desta forma, as ligações de hidrogênio apresentam flutuações quânticas e formam o que é conhecido como uma "rede eletrônica conectada", que provavelmente é a resposta ao confinamento que gera as grandes mudanças na energia dos prótons.
Os pesquisadores confirmaram esta discrepância utilizando outros materiais. Por exemplo, eles descobriram que quando a água estava confinada dentro do material industrial nafion, uma membrana trocadora de prótons, utilizado em células a combustível, os prótons tinham quase o dobro da energia cinética da água bruta. Eles também descobriram que, ao usar nanotubos de carbono de 1,4 nm de diâmetro, de parede simples, a distribuição foi de 30% menos da energia cinética do que na água a granel.
Segundo Reiter, esse novo estado quântico pode ser importante para a vida porque o comprimento dos nanotubos usados para confinar a água nos experimentos, cerca de 2 nanômetros, é mais ou menos semelhante às distâncias entre as estruturas no interior das células biológicas. A mecânica quântica dos prótons na água sempre exerceu um papel no desenvolvimento da vida celular, mas nunca havia sido notado anteriormente.
Reiter acredita também que a pesquisa do seu grupo poderia ter aplicações práticas, tais como a melhoria do desempenho das células a combustível.
Sow-Hsin Chen, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, que não tomou parte na pesquisa atual, concorda que os resultados do experimento implicaria que o padrão das ligações de hidrogênio em águas confinadas pode ser bastante diferente do que na água bruta, e diz que o próximo passo é realizar simulações de mecânica quântica para descobrir como isso afeta as propriedades da água confinada. Mas ele adverte que nem todas as propriedades da água são necessariamente explicável usando a mecânica quântica em alguns casos poderia ser melhor explicada usando mecânica estatística.
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