• Ciência dura

Estranha teoria científica prevê um segundo tipo de água líquida

• A água tem propriedades notáveis, incluindo a formação de uma infinidade de diferentes tipos de cristal de gelo.
• Os cientistas se perguntaram se também poderia haver mais de um tipo de água líquida.
• Um novo trabalho de pesquisa sugere que as formas topológicas de anéis e nós podem descrever um segundo tipo de água líquida.

A água é uma substância fascinante. Ele se manifesta prontamente na Terra nos três estados mais comuns da matéria: sólido (gelo), líquido (água) e gasoso (vapor de água).

Os físicos e químicos que estudam os vários estados da matéria os plotam em um gráfico conhecido como diagrama de fases. Um genérico é mostrado abaixo. No eixo Y está a pressão e no eixo X está a temperatura. O diagrama mostra o que todos nós sabemos intuitivamente que é verdade: à medida que as temperaturas ficam mais frias, as coisas tendem a se tornar sólidas; à medida que a temperatura aumenta, as coisas tendem a se transformar em líquido e, eventualmente, em gás. Isso vale não apenas para a água, mas para todas as substâncias.

Como todos aprendemos na escola primária, a água (à pressão atmosférica típica) acima de 100°C (212°F) é um gás; entre 0° e 100° C (32° e 212° F), é um líquido; e abaixo de 0°C, é sólido. Mas esta é apenas uma parte da história. O diagrama de fases da água é realmente muito, muito mais complicado.

Mais notavelmente, existem vários tipos diferentes de formas sólidas; isto é, a água faz muitos tipos de cristais de gelo. O gelo com o qual todos estamos familiarizados é conhecido como I _h (“um h”), e as moléculas de água estão dispostas como um padrão de repetindo hexágonos . Mas se baixarmos a temperatura ainda mais, para cerca de -100° C (-148° F), as moléculas no cristal de gelo se reorganizam em um novo padrão: uma rede de cubos . Isso é gelo eu _c ('um C'). Se continuarmos esfriando, os átomos se reorganizam novamente, formando o gelo XI. Esta fase tem uma estrutura cristalina chamada ortorrômbico , um cubo esticado de modo que cada lado tenha um comprimento distinto. Se começarmos a aplicar pressão, teremos ainda diferentes tipos de cristais de gelo. Ao todo, são pelo menos 15 formulários.

Isso não é incomum. A maioria dos produtos químicos tem múltiplas fases sólidas. Variando a temperatura e a pressão, átomos e moléculas podem ser coagidos em diferentes orientações. Às vezes, as propriedades de uma fase sólida e de outra são semelhantes, mas outras vezes podem ser muito diferentes.

Tome estanho, por exemplo. Sob pressão atmosférica à temperatura ambiente, o estanho está na fase sólida β (beta), um metal brilhante que é macio, mas não quebradiço. Mas se esse β-estanho for resfriado o suficiente, ele se transformará em α (alfa) estanho, um não-metal tão fraco que pode cair em pedaços sob a força da gravidade. (Veja o vídeo.)

Duas fases de água líquida

Se houver vários estados sólidos da água, o mesmo vale para o estado líquido? Experimentalmente, parece que toda água líquida é indistinguível. Cada gota se comporta da mesma maneira em qualquer pressão e temperatura específica. As propriedades da água líquida mudam quando a pressão e a temperatura mudam. Por exemplo, a água líquida encolhe e se torna mais densa à medida que esfria a 4°C, mas depois se expande e fica mais leve quando começa a congelar. Mas o importante a notar é que toda água líquida se comporta assim.

Ou talvez não. UMA papel publicado este mês em Natureza Física propõe que pode haver uma segunda fase de água líquida. Essa ideia não é original, mas o método de analisar matematicamente as moléculas de água é. Os pesquisadores simulam moléculas de água em estado líquido. Eles então aumentam a pressão na simulação, forçando as moléculas a se aproximarem. Dentro da massa de moléculas, eles notam grupos que se comportam como nós torcidos e cadeias ligadas .

Essas formas podem esticar, dobrar ou se mover sem quebrar sua estrutura fundamental. Dois elos de uma corrente permanecem unidos, independentemente de os elos serem movidos ou se eles crescerem ou encolherem – a menos que um anel seja aberto. No jargão matemático abstrato, o estudo desses tipos de formas e suas propriedades é conhecido como topologia .

A possível nova fase da água líquida se forma quando o líquido padrão, com moléculas geralmente livres para se movimentar, é espremido em uma forma de densidade mais alta na qual as moléculas estão ligadas como formas topológicas. Os pesquisadores mostram que, sob certas condições, a água líquida pode saltar de ser descrita como formas topológicas emaranhadas para ser descrita como quase livre delas. Isto é um transição de fase , assim como congelar líquido em gelo ou fervê-lo em vapor.

Mas é real?

Voltando da matemática para a realidade, esta é uma previsão testável. Se a simulação for precisa, a densidade da água líquida deve mudar à medida que eles ajustam a pressão e a temperatura – ou seja, ficaria mais pesada, já que a mesma quantidade de líquido caberia em uma caixa menor. Mas atualmente, isso é apenas teoria. Agora, eles precisam sair e encontrá-lo.

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