Um “ponto crítico” escondido na água super-arrefecida pode explicar comportamentos estranhos

À medida que a água arrefece, o seu comportamento torna-se cada vez mais desconcertante do ponto de vista da física. Agora, investigadores que tentavam perceber a origem dessas anomalias identificaram algo que parecia estar “oculto”: um ponto crítico que surge em água super-arrefecida que permanece líquida em vez de congelar.

Como se mantém água líquida abaixo do ponto de congelação

Combinando manobras de pressão e temperatura, é possível manter a água no estado líquido muito abaixo dos 0 °C habituais. Há algum tempo que estudos anteriores defendiam que, nesse regime especial, a água pode separar-se em duas fases distintas - um líquido de alta densidade e um líquido de baixa densidade - num comportamento de “dois líquidos num”.

Evidência mais direta da transição líquido-líquido e do ponto crítico na água super-arrefecida

No novo trabalho, uma equipa internacional conseguiu obter indícios mais diretos dessa transição líquido-líquido e, além disso, detetou um ponto crítico para lá do qual a água deixa de alternar entre dois líquidos bem definidos e passa para um único estado, mas altamente instável do ponto de vista da organização molecular (um estado “flutuante”, com estrutura a oscilar).

Observar estes estados é particularmente difícil porque surgem mesmo no limite em que a água tende a cristalizar e a transformar-se em gelo - uma zona tantas vezes descrita como uma espécie de “terra de ninguém” experimental, onde medições fiáveis são difíceis de obter antes de ocorrer o congelamento.

“O especial foi termos conseguido fazer raios X a uma velocidade inimaginável antes de o gelo solidificar e, assim, observar como a transição líquido-líquido desaparece e como emerge um novo estado crítico”, afirma o físico-químico Anders Nilsson, da Universidade de Estocolmo, na Suécia.

“Durante décadas houve especulações e teorias diferentes para explicar estas propriedades notáveis, e uma das hipóteses era a existência de um ponto crítico. Agora encontrámos evidência de que esse ponto existe.”

Aquecimento ultrarrápido, “fotografias” instantâneas e o caminho até ao estado flutuante

Os ensaios dependeram de dois elementos-chave: aquecimento rápido (com lasers de infravermelhos) e instantâneos ultrarrápidos (com raios X). Os investigadores prepararam gelo de forma controlada e conduziram-no rapidamente através do regime líquido, atravessando a transição líquido-líquido, passando pelo ponto crítico e chegando ao tal estado estruturalmente flutuante - tudo isto enquanto registavam o que acontecia em escalas de tempo minúsculas, antes de o sistema voltar a congelar.

Embora a localização exata do ponto crítico ainda não esteja completamente determinada, o estudo reduziu bastante o intervalo provável. A equipa estima que ele se situe perto de −63 °C e em torno de 1000 atmosferas de pressão (aproximadamente 1013 bar, ou 101 MPa), o que deverá orientar as próximas experiências.

Um efeito “tipo buraco negro” na dinâmica do líquido

Um dos aspetos mais intrigantes é que este ponto crítico parece comportar-se, por analogia, como um “buraco negro” para a dinâmica do sistema: à medida que a água se aproxima dele, os movimentos coletivos do líquido abrandam e as alterações estruturais passam a demorar muito mais. Na prática, isto torna cada vez mais difícil que o líquido “escape” à transição - o próprio abrandamento favorece que o sistema acabe por atravessar o limiar.

Porque isto importa para além da física

À primeira vista, estas conclusões podem parecer um tema esotérico, reservado a especialistas. No entanto, ao esclarecerem como a água se reorganiza em condições extremas, ajudam a construir uma explicação mais sólida para o motivo de a água se comportar de forma tão invulgar. E isso tem implicações para praticamente tudo o que envolve água na Terra - e noutros ambientes planetários - o que é dizer: quase tudo.

“Os investigadores que estudam a física da água podem agora assentar no modelo de que a água tem um ponto crítico no regime super-arrefecido”, diz Nilsson.

“O passo seguinte é perceber as implicações destes resultados na importância da água em processos físicos, químicos, biológicos, geológicos e relacionados com o clima.”

Uma aplicação indireta desta linha de investigação é melhorar modelos de água em condições relevantes para a atmosfera (por exemplo, gotículas super-arrefecidas em nuvens), para fenómenos geológicos em ambientes frios e para cenários de ciência planetária, onde pressões elevadas e temperaturas baixas podem coexistir. Compreender com precisão quando e como a estrutura da água muda pode ajudar a prever transições de fase e propriedades como densidade, compressibilidade e capacidade de transporte de solutos.

Outra área que pode beneficiar é a engenharia de processos a baixas temperaturas, incluindo conservação de materiais biológicos e tecnologias de arrefecimento, onde atrasar ou controlar a cristalização é muitas vezes o objetivo. Mesmo que o “ponto crítico” identificado seja difícil de atingir fora do laboratório, o conhecimento das fronteiras do regime super-arrefecido oferece pistas sobre como estabilizar estados líquidos metaestáveis por períodos mais longos.

A estranheza da água em exemplos do dia a dia

Basta olhar para cubos de gelo para ver como a água foge ao comportamento típico da matéria: quando arrefece, a maioria das substâncias contrai e torna-se mais densa; já a água não segue essa regra de forma simples. É precisamente por isso que o gelo tende a flutuar num copo, em vez de afundar.

E este é apenas um exemplo. Para lá dos seus estados mais comuns, a água exibe várias propriedades invulgares - incluindo o comportamento “dois-em-um” no líquido analisado aqui. Este estudo representa mais um avanço, mas ainda deixa muitas perguntas em aberto.

Água, vida e a pergunta que fica no ar

Há ainda uma característica que distingue a água de muitos outros líquidos: pelo que sabemos, ela é essencial para a vida. É uma direção que os investigadores querem continuar a explorar.

“Acho muito entusiasmante que a água seja o único líquido supercrítico em condições ambientais onde existe vida e também sabemos que não há vida sem água”, afirma o físico-químico Fivos Perakis, também da Universidade de Estocolmo.

“Será isto uma mera coincidência ou haverá algum conhecimento essencial que ainda vamos descobrir no futuro?”

O estudo foi publicado na revista Science.