A estrutura da água: a entropia determina se os iões aderem
A microscopia de força atómica e as simulações de dinâmica molecular fornecem a base para previsões mais precisas na investigação de pilhas e membranas
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As moléculas de água não se limitam a girar desordenadamente, mas podem formar determinadas estruturas favoráveis. Este facto científico é muitas vezes apresentado de forma totalmente anticientífica, por exemplo, quando se fala de uma alegada "memória da água" ou de "aglomerados de água" como uma possível explicação para a homeopatia, por exemplo.
Tudo isto foi refutado, mas mesmo que a água não seja um armazém mágico de informação, a sua capacidade de formar estruturas a curto prazo pode ter consequências importantes. Este facto foi agora demonstrado por um estudo realizado pela TU Wien, em colaboração com a Universidade de Viena e a Universidade de Oslo, no âmbito do Cluster of Excellence "MECS", financiado pelo FWF: os investigadores investigaram a facilidade com que as partículas carregadas podem ser retidas numa superfície - uma questão importante em muitas áreas, como a investigação de baterias, células de combustível e membranas biológicas. Os novos resultados mostram-no: Isto só pode ser compreendido se forem tidas em conta as estruturas que a água forma numa escala de nanossegundos.
Um ião raramente vem sozinho
"Quando iões de carga positiva numa solução aquosa se ligam a uma superfície de carga negativa, isto parece muito simples do ponto de vista físico", diz Markus Valtiner do Instituto de Física Aplicada da TU Wien. "Cargas eléctricas opostas atraem-se mutuamente, pelo que a partícula se move em direção à superfície. Mas, na realidade, as coisas são um pouco mais complicadas".
As partículas carregadas não se movem sozinhas na água. Estão rodeadas por moléculas de água e estas podem organizar-se de diferentes formas. O grau em que esta ordem é pronunciada depende da partícula: "Os iões de lítio, por exemplo, são minúsculos e podem organizar a água à sua volta de forma muito forte. Os iões de césio, por outro lado, são grandes e o efeito é muito menor", diz Markus Valtiner.
Água ordenada - mas apenas durante nanossegundos
No entanto, esta ordem não deve ser pensada como a ordem dos átomos num cristal. "Esta ordem é de natureza estatística", explica Markus Valtiner. "As moléculas de água vibram continuamente, movem-se muito rapidamente, estão constantemente a redistribuir-se, formando ligações fracas e quebrando-as novamente".
Isto significa que as moléculas de água não são "armazéns de informação", como por vezes é incorretamente retratado, mas executam uma espécie de "dança" em torno do ião, e esta dança obedece a certas regras. A dança da água em torno de um ião lítio ou cálcio é - estatisticamente falando - num certo sentido mais organizada do que a dança da água em torno do ião césio.
Quando os iões se deslocam para a superfície, levam consigo esta dança da água. Se o ião se fixar, a água que o rodeia é forçada a estruturar-se de forma diferente.
"Os iões que têm uma influência mais forte sobre as moléculas de água circundantes criam mais ordem na água - termodinamicamente falando, isto significa que criam um estado de menor entropia", explica Markus Valtiner. "E quanto mais baixa for a entropia, menos provável é que esse estado surja por si só. Por conseguinte, é menos provável que esses iões se acumulem diretamente na superfície."
Sem "memória de água" esotérica
A equipa de investigação combinou microscopia de força atómica de alta resolução, simulações de dinâmica molecular e medições espectroscópicas para medir estes efeitos de superfície. O resultado foi um modelo termodinâmico que pode agora ser utilizado para descrever quantitativamente a adsorção de partículas: Pela primeira vez, os diferentes efeitos são aqui considerados em conjunto - a atração eletrostática, por um lado, mas também a entropia, a probabilidade de ordem e a interação com as moléculas de água circundantes.
Isto permite prever quais os iões que irão aderir a uma superfície e como se irão comportar nela, por exemplo, em baterias, eléctrodos, catalisadores ou membranas biológicas. Não são apenas as cargas eléctricas que têm de ser tidas em conta, mas também a ordem estatística da água.
"Não se trata de uma memória mágica da água, não tem nada a ver com ideias esotéricas sobre a informação da água", sublinha Markus Valtiner. "Trata-se simplesmente de um comportamento dinâmico fisicamente muito interessante entre diferentes iões e as moléculas de água circundantes - e encontrámos um modelo quantitativo que pode ser utilizado para descrever com precisão esta interação."
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Alemão pode ser encontrado aqui.
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