Água líquida não é única: São dois líquidos diferentes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/03/2025

Só recentemente descobrimos que as moléculas da água são assimétricas.
[Imagem: Max Planck Society]

Anomalias da água

A água é uma substância única, com propriedades raramente observadas em outros líquidos - são mais de 70 anomalias da água conhecidas até hoje.

Agora, cientistas descobriram mais uma de suas propriedades únicas: Sob alta pressão e baixa temperatura, a água líquida se separa em duas fases líquidas distintas, uma de alta densidade e outra de baixa densidade.

Trabalhando na intersecção da química, da física e da ciência da computação, a equipe construiu modelos baseados nos fundamentos da matéria e usaram técnicas de aprendizado de máquina e algoritmos da ciência da computação para fazer uma simulação realista das moléculas de água, contornando as dificuldades dos experimentos.

O modelo da água foi treinado em cálculos mecânicos quânticos de alto nível (orientado por dados) e, em vez de calcular a energia de um sistema inteiro de uma vez, ele desconstrói a energia em termos de contribuições individuais (muitos corpos). Essas energias de referência entram então em um modelo de aprendizado de máquina que se torna capaz de fornecer simulações realistas da água em todo o diagrama de fase.

"Nosso modelo da água é tão realista que você quase pode bebê-lo," brincou o professor Francesco Paesani, da Universidade da Califórnia de San Diego.

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Dependência da temperatura e da pressão da densidade de massa da água líquida.
[Imagem: F. Sciortino et al. - 10.1038/s41567-024-02761-0]

Fases líquidas da água

A maioria dos líquidos é homogênea, ou seja, eles fluem como um todo, não sendo possível distinguir uma molécula líquida da outra. A água normalmente é assim, mas, em 1992, cientistas teorizaram que, em certas temperatura e pressão, a água líquida atingiria um ponto crítico no qual ela deixaria de ser homogênea.

As simulações da equipe permitiram identificar esse ponto crítico, em que a temperatura é baixa o suficiente (-75,15 ºC) e a pressão é alta o suficiente (1.250 atmosferas) para que a água se separe espontaneamente em líquidos de alta e de baixa densidade.

Neste ponto crítico, a água apresenta oscilações drásticas entre as fases de alta e baixa densidade. Abaixo desta pressão, a água retorna à sua fase de baixa densidade; acima dela, ela muda completamente para a fase de alta densidade.

No entanto, não foi fácil chegar a esses resultados. Executar as simulações levou quase dois anos de cálculos ininterruptos usando alguns dos supercomputadores mais poderosos do mundo.

Por isso a equipe pretende continuar melhorando seus algoritmos, enquanto espera por computadores mais poderosos, para então tentar projetar líquidos sintéticos que passem por uma transição líquido-líquido similar à da água, mas em condições ambientais. Líquidos que possam se mover de baixa para alta densidade se comportariam de forma similar às esponjas, e poderiam ser usados para capturar poluentes ou auxiliar na dessalinização da água.

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