Água vítrea: cientistas revelam a transição oculta

A água cobre cerca de 70 por cento da superfície terrestre e representa aproximadamente 60 por cento da massa do corpo humano, mas continua a ser uma anomalia científica.

Água vítrea e a transição escondida

À semelhança de um Jekyll e Hyde aquático, a água cristaliza a baixas temperaturas e assume a conhecida forma de gelo. Também pode transformar-se em «água vítrea», cuja estrutura molecular é amorfa e desorganizada.

Esta invulgar forma de água surge em nuvens estratosféricas das regiões polares. Ajuda igualmente organismos adaptados ao frio, ou psicrófilos, a evitar danos celulares causados por cristais de gelo em temperaturas extremamente baixas.

Apesar disso, a passagem da água do estado líquido para o estado vítreo permaneceu, em grande medida, inacessível às técnicas de observação.

Quando congela, a água forma habitualmente cristais de gelo que se encaixam numa estrutura rígida e ordenada. Isto ocorre até cerca de -45 °C (-49 °F); abaixo dessa temperatura estende-se uma vasta e pouco compreendida região térmica a que os cientistas chamam «terra de ninguém».

Pensava-se que a transição vítrea da água em volume acontecia algures perto dos -135 °C, mas o gelo cristalino impedia os investigadores de alcançar esse limiar vítreo.

Num novo estudo, os cientistas resolveram esse problema ao aprisionarem água numa matriz, recorrendo a uma estratégia inspirada nos mecanismos da natureza. Assim, perceberam que a transformação vítrea da água lhes tinha passado despercebida no meio da cristalização.

Como foi observada a água nanoconfinada

Num artigo publicado na revista Nature Communications, físicos confinaram quantidades minúsculas de água - com apenas algumas moléculas de espessura, ou menos de um nanómetro - entre duas camadas lipídicas feitas de um tipo especial e «transparente» de fitantriol. Esta molécula de álcool gordo mantém-se estruturalmente estável e fluida numa ampla gama de temperaturas frias.

Ao ficar confinada desta forma, a água não conseguia cristalizar à medida que a temperatura diminuía, o que permitiu à equipa acompanhar detalhadamente a sua transição de líquido para vidro.

De forma surpreendente, verificaram que esta transformação vítrea ocorre numa gama de temperaturas muito mais ampla - e mais elevada - do que se supunha anteriormente.

Para seguir o comportamento da água a escalas inferiores ao nanómetro, uma equipa de físicos liderada por Raffaele Mezzenga, da ETH Zurique, e em colaboração com cientistas da Organização Australiana de Ciência e Tecnologia Nuclear (ANSTO), conjugou modelos computacionais com várias técnicas avançadas de sondagem atómica.

Uma das abordagens recorreu à linha de feixe de dispersão de raios X a pequenos e grandes ângulos (SAXS/WAXS) da ANSTO. Através de raios X extremamente intensos produzidos num sincrotrão, ou acelerador de partículas, foi possível mapear a estrutura da água retida na matriz lipídica a diferentes temperaturas.

A equipa utilizou ainda dois espectrómetros, chamados Emu e Pelican, no Centro Australiano de Dispersão de Neutrões, para detetar vibrações moleculares e revelar o movimento dos átomos de hidrogénio presentes na amostra.

«O sinal de neutrões detetado pelo nosso instrumento é dominado pelos movimentos dos átomos de hidrogénio na água», explica Alice Klapproth, cientista de instrumentação da ANSTO responsável pelo espectrómetro Emu.

«Isto permite-nos medir seletivamente a dinâmica da água, mesmo quando esta está confinada numa matriz mole complexa.»

Temperaturas da transição para água vítrea

No conjunto dos dados, os investigadores observaram um abrandamento da dinâmica da água confinada numa faixa inesperadamente extensa, entre -63 e -20 °C. Esta alteração foi analisada ao longo de seis ordens de grandeza temporal, desde milionésimos até meros bilionésimos de segundo.

Em concreto, a dinâmica molecular muda drasticamente entre cerca de -35 e -21 °C, à medida que a atividade cinética das moléculas de água se torna mais lenta. Já a transição estrutural estática para o estado vítreo ocorre entre -74 e -64 °C, quando a água fica retida num estado sólido, desorganizado e vítreo.

Depois, quando o mercúrio desce mesmo a sério, a água começa a estalar como uma laje alienígena de crocante de amendoim gelado.

Para além de esclarecer a dinâmica de uma substância quotidiana, mas ainda enigmática, esta investigação poderá conduzir a aplicações práticas.

«De modo mais geral e para lá dos aspetos puramente fundamentais, os nossos resultados têm relevância imediata e mais ampla para todos os fenómenos físicos que envolvem água nanoconfinada criogénica, como a criopreservação de material biológico e a congelação profunda de alimentos, para mencionar apenas alguns exemplos», concluem os investigadores.

Resta saber se essas aplicações poderão melhorar a recuperação de tecidos preservados ou originar uma variedade revolucionariamente cremosa de gelado.

Esta investigação foi publicada na revista Nature Communications.

Este artigo foi verificado por Clare Watson e editado por Clare Watson. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, informe-nos.