As duas faces da água líquida

A água é única. É uma das únicas substâncias que pode existir na natureza como sólido, líquido e gasoso ao mesmo tempo em condições ambientais (pense no gelo sólido sobre um lago, que é líquido por baixo enquanto as nuvens de tempestade flutuam por cima). É também uma das únicas substâncias cuja forma sólida é menos densa do que a líquida – é por isso que o gelo flutua.

Agora, cientistas da Universidade da Califórnia em San Diego descobriram uma descoberta fundamental para outra propriedade única: a alta pressão e baixa temperatura, a água líquida separa-se em duas fases líquidas distintas – uma de alta densidade e outra de baixa densidade. O seu trabalho foi publicado na revista Nature Physics.

Francesco Paesani, Professor de Química e Bioquímica da UC San Diego, trabalha na intersecção da química, da física e da informática para construir modelos baseados nos fundamentos da física que possam resolver problemas na química. Ao utilizar técnicas de aprendizagem automática e algoritmos da informática, o seu grupo consegue criar modelos moleculares realistas que correspondem ao que se pode medir experimentalmente.

“O nosso modelo de água é tão realista que quase se pode beber”, afirma Paesani.

A maioria dos líquidos é homogénea – tudo flui em conjunto e não é possível distinguir uma molécula líquida da outra. De facto, é o que acontece com a água. No entanto, em 1992, os investigadores teorizaram que, a uma determinada temperatura e pressão, a água líquida atingiria um ponto crítico em que deixaria de ser homogénea.

A equipa de Paesani realizou simulações que revelaram o ponto crítico em que a temperatura é suficientemente baixa (198 Kelvin ou -103 Fahrenheit) e a pressão é suficientemente elevada (1250 atmosferas) para que a água se separe espontaneamente em líquidos de alta e baixa densidade.

Neste ponto crítico, a água exibe oscilações selvagens entre as fases de alta e baixa densidade. Abaixo desta pressão, a água regressa à sua fase de baixa densidade; acima desta, passa totalmente para a fase de alta densidade. Trata-se de um fenómeno inesperado que se desenrola a nível molecular.

Potenciais de muitos corpos baseados em dados

A simulação de 1992 era grosseira. Desde então, os investigadores têm tentado criar experimentalmente esta separação espontânea, mas sem sucesso. Ao longo das últimas três décadas, os avanços na modelação computacional tornaram possíveis simulações mais detalhadas e precisas – em particular, o advento dos potenciais de muitos corpos orientados por dados, em que o grupo de Paesani se especializou.

O modelo de muitos corpos da água orientado por dados (MB-pol) desenvolvido pelo grupo Paesani baseia-se em cálculos de mecânica quântica de alto nível (orientado por dados) e, em vez de calcular a energia de todo um sistema de uma só vez, desconstrói a energia em termos de contribuições individuais (muitos corpos). Estas energias de referência são introduzidas num modelo de aprendizagem automática que é então capaz de fornecer simulações realistas da água em todo o diagrama de fases.

Paesani explica o modelo MB-pol da seguinte forma: uma pessoa sozinha numa sala comporta-se de uma determinada maneira. Se outra pessoa entra na sala, o comportamento da primeira pessoa muda para acomodar a segunda pessoa. Se entra uma terceira pessoa, a dinâmica das duas primeiras altera-se. E assim por diante, até que haja tantas pessoas na sala que a adição de mais uma não tenha um impacto significativo no comportamento de uma única pessoa.

É assim que funciona o MB-pol. No curto prazo, existem efeitos mecânicos quânticos que modificam diretamente o comportamento das moléculas de água, tal como uma pessoa influencia o comportamento de outra. No entanto, a um certo ponto, os efeitos são calculados em média para todo o sistema, tal como adicionar mais uma pessoa a uma sala já cheia não tem impacto no comportamento de outro indivíduo.

“As simulações de mecânica quântica podem ser extremamente dispendiosas. É possível calcular as energias de cinco ou seis moléculas de água. O nosso método, utilizando MB-pol e aprendizagem automática, permite-nos efetuar simulações até vários microssegundos”, afirma Paesani. “Isto é algo com que os cientistas moleculares computacionais sonham há muito tempo”, acrescenta.

No entanto, a descoberta não foi fácil. A execução de simulações para esta investigação levou quase dois anos de cálculos ininterruptos utilizando alguns dos supercomputadores mais potentes do mundo, incluindo o Expanse no Centro de Supercomputadores de San Diego, que é um pilar da nova Escola de Computação, Informação e Ciências de Dados da UC San Diego.

No futuro, com o desenvolvimento da tecnologia, Paesani espera que esta investigação possa ser utilizada para conceber líquidos sintéticos que sofram uma transição líquido-líquido semelhante à da água, mas que o possam fazer em condições quotidianas. Os líquidos porosos que podem passar de baixa para alta densidade comportar-se-iam de forma semelhante às esponjas e poderiam ser utilizados para capturar poluentes ou ajudar na dessalinização da água.

“A simulação demorou quase dois anos, pelo que se trata de um feito realmente empolgante”, explica Paesani. “Penso que a nossa estimativa é muito realista. Agora cabe aos investigadores experimentais verificar se as nossas previsões estão corretas”, adianta.

Atualmente, recriar estas condições em laboratório continua a ser um desafio. No entanto, a tecnologia das nanogotas poderá oferecer um caminho a seguir, criando minúsculas gotículas de água que geram uma elevada pressão interna através da tensão superficial, o que poderá levar à confirmação experimental deste fenómeno.

Por agora, esta descoberta oferece a previsão mais precisa de um fenómeno que os cientistas há muito suspeitam, mas que nunca observaram diretamente. E quando esse dia chegar, poderá mudar para sempre a forma como pensamos sobre a água.