Físicos finalmente resolveram o mistério chave de como funciona a ligação de hidrogénio

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É fácil sentirmos que o mundo quântico está incrivelmente distante da nossa experiência do dia-a-dia, portanto aqui está algo que pode fazer para traze-lo mais para perto. Vá buscar uma moeda, e ponha-a por baixo de água a pingar lentamente. Se tiver uma pipeta, vá busca-la. Se não tiver, uma torneira a pingar irá cobrir o trabalho.

Tente vezes suficientes, e eventualmente conseguirá que a água se acumule na sua moeda numa grande, bolha de água. De acordo com um novo estudo, parte da razão pela qual a gota se aguenta desta forma é porque as moléculas da água agem como pequenas, engrenagens de túneis quânticos. Espectacular, agora já se pode sentar.

As moléculas da água são feitas de um grande átomo de oxigénio, e dois átomos de hidrogénio mais pequenos, como electrões a se moverem à volta do grupo. Em média, os electrões gastam mais tempo a moverem-se à volta do oxigénio e menos tempo à volta do hidrogénio, portanto o oxigénio tende a ter uma carga negativa, enquanto os de hidrogénio tendem a ser positivos.

Se colocarmos duas moléculas de água junto uma da outra, o oxigénio da molécula 1 tenderá a atraí o hidrogénio da molécula 2, e as moléculas acabarão com o oxigénio e um hidrogénio bastante próximos. Se juntar um grande número de moléculas de água, elas vão se arranjar de forma a que a molécula de oxigénio de um esteja sempre junto à molécula de hidrogénio de outro.

E depois, porque as moléculas se estão sempre a movimentar, irão ocasionalmente deixar de se alinhar com um conjunto de vizinhos para se alinharem com outro – a metáfora comum sendo que as moléculas da água são dançarinas que gostam de trocar de parceiros. Todo o processo de atracção e mudança de parceiro é conhecido como ligação de hidrogénio, e a razão para a tensão de superfície – a tendência das moléculas da água se aglomerarem em vez de se separarem. É por isso que as gotas de água podem ficar tão grandes.

Mas existem algumas falhas nesta explicação. Se todas as moléculas de água estão em grupos, como é que um encontro outro parceiro, sem criar um caos em toda a dança? E o que acontece se elas não se estiverem a movimentar o suficiente para continuar a mudar? Será que a gota simplesmente colapsa?

Estas eram as questões perguntadas e respondidas pelos físicos na University of Cambridge no Reino Unido, ao observar conjuntos super-arrefecidos de apenas seis moléculas.

Primeiro, eles verificaram o que acontecia quando uma das moléculas trocava de parceiro, e descobriram que não existia apenas uma molécula a trocar de parceiro. As moléculas trabalham sempre em pares, como engrenagens interligadas. Quando uma gira, liberta a ligação de hidrogénio que pode então ser utilizada por outro e nunca existe um período em que estão sem parceiros.

Mas isto não é tudo. As moléculas destas experiências não estavam a se movimentar o suficiente para fazer a troca por elas próprias, por isso a equipa virou-se para as simulações para ver como as engrenagens estavam a trabalhar.

As partículas quânticas (está bem, todas as coisas no Universo, mas não vamos por aí) não têm uma posição bem definida. Em vez disso, as suas posições são mais ou menos distribuídas no decorrer do espaço: é mais provável que elas vão estar onde espera que elas estejam, mas também pode estar noutro sítio qualquer, mesmo que elas não tenham energia suficiente para lá chegar. É como quando atiramos uma bola contra a parede e a bola, em vez de bater lá e voltar para si, apenas passa sem partir a parede. A sua bola pareceria ter acedido a algum tipo de túnel entre o sou e outro lado da parede apesar de não existir qualquer túnel.

É assim que a água consegue trocar de parceiros, de acordo com novas simulações, publicadas na Science esta semana. As moléculas não se movimentam o suficiente para fazê-lo por elas próprias, por isso têm de contar com os túneis quânticos de forma a colocar este relógio molecular em marcha. Em vez de procurar um novo parceiro, eles simplesmente aparecem junto do novo parceiro e trocam imediatamente. As duas moléculas que trabalha em conjunto nas engrenagens coordenam o seu tunelamento de forma a que nenhuma estejam em momento algum sem parceiro.

Nada mau para uma pequena bolha de água.


(Vídeo em Inglês)

[ScienceAlert]

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