Descoberto novo estado quântico da água

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Descoberto novo estado quântico da água

Com informações da PhysicsWorld - 08/02/2011

O novo estado quântico da água pode ser importante para a vida porque ocorre em dimensões semelhantes às existentes entre as estruturas no interior das células biológicas.[Imagem: P99am/Wikipedia]

Água e vida

Água e vida sempre combinaram, desde as mais antigas mitologias até as mais recentes descobertas científicas.

E essas qualidades capazes de sustentar a vida parecem estar fundamentadas em um conjunto de propriedades que tornam a água uma substância única.

São nada menos do que 66 "anomalias" conhecidas, propriedades únicas da água, não vistas em nenhum outro líquido.

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 foi vital para sustentação da vida durante as eras do gelo na Terra.

Ligação de hidrogênio

Agora, George Reiter e seus colegas da Universidade de Houston, nos Estados Unidos, afirmam que essas qualidades estranhas, mas cruciais para a vida, podem ser explicadas em certa medida pela mecânica quântica.

O grupo concentrou sua atenção em uma das esquisitices da água - a sua ligação de hidrogênio. A ligação de hidrogênio é a ligação entre as moléculas de água, que conectam um átomo de oxigênio de uma molécula ao átomo de hidrogênio de outra molécula.

A teoria mais aceita é a de que a ligação de hidrogênio da água seja um fenômeno eletrostático, ou seja, a água consistiria de moléculas individuais que se ligam por meio de cargas positivas (no hidrogênio) e negativas (no oxigênio).

Este modelo explica algumas características da água, como a sua estrutura.

Novo estado quântico da água

O que Reiter e seus colegas descobriram é que o modelo eletrostático não consegue prever as energias dos prótons individuais dentro das moléculas de água.

Eles fizeram medições extremamente sensíveis dos prótons em amostras muito pequenas de água - acondicionadas dentro de nanotubos de carbono de 1,6 nanômetro de diâmetro - e descobriram que esses prótons se comportam de forma muito diferente do que o fazem em amostras muito maiores.

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.

Segundo os cientistas, isto é um indicativo de que os prótons existem em um estado quântico nunca antes observado - um estado que não é descrito pelo modelo eletrostático, com as ligações de hidrogênio formando o que é conhecido como "rede eletrônica conectada".

Células vivas e células a combustível

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.

"Eu acho que a mecânica quântica dos prótons na água sempre exerceu um papel no desenvolvimento da vida celular, mas nós nunca havíamos notado isso antes," disse ele.

A descoberta também pode ter impactos tecnológicos, principalmente nas células a combustível. Nessas células, os fluidos têm de trafegar através de membranas ultrafinas, com poros nas dimensões estudadas neste experimento.

Um dos principais modelos de células a combustível em desenvolvimento é conhecida como PEM (Proton Exchange Membrane). Ou seja, a diferença de energia apresentada pelos prótons quando altamente confinados pode fazer a diferença no desempenho dessas células.

• "Esquisitices" da água começam a ser compreendidas

Bibliografia:

Evidence of a new quantum state of nano-confined water

G. F. Reiter, A.I. Kolesnikov, S. J. Paddison, P. M. Platzman, A.P. Moravsky, M. A. Adams, J. Mayers

arXiv

26 Jan 2011

http://arxiv.org/abs/1101.4994