Pela primeira vez, os investigadores observaram exclusivamente moléculas que participam em ligações de hidrogénio na água líquida, medindo efeitos quânticos electrónicos e nucleares que antes eram acessíveis apenas através de simulações teóricas.
Água é sinônimo de vida, mas a interação dinâmica e multifacetada que une as moléculas de H2O – a ligação de hidrogênio – permanece misteriosa. As ligações de hidrogênio resultam quando os átomos de hidrogênio e oxigênio entre as moléculas de água interagem, compartilhando carga eletrônica no processo. Esta partilha de carga é uma característica fundamental da rede tridimensional de 'ligações H' que confere à água líquida as suas propriedades únicas, mas os fenómenos quânticos no centro de tais redes foram até agora compreendidos apenas através de simulações teóricas.
Agora, pesquisadores liderados por Sylvie Roke, chefe do Laboratório de BioFotônica Fundamental da Escola de Engenharia da EPFL, publicaram um novo método – espectroscopia vibracional correlacionada (CVS) – que lhes permite medir como as moléculas de água se comportam quando participam da ligação H. redes. Crucialmente, o CVS permite aos cientistas distinguir entre essas moléculas participantes (interagentes) e moléculas distribuídas aleatoriamente, sem ligação H (não interagentes). Por outro lado, qualquer outro método relata medições em ambos os tipos de moléculas simultaneamente, tornando impossível distinguir entre eles.
“Os métodos atuais de espectroscopia medem a dispersão da luz laser causada pelas vibrações de todas as moléculas em um sistema, então você tem que adivinhar ou assumir que o que você está vendo é devido à interação molecular na qual você está interessado”, explica Roke. “Com o CVS, o modo vibracional de cada tipo diferente de molécula tem seu próprio espectro vibracional. E como cada espectro tem um pico único correspondente às moléculas de água movendo-se para frente e para trás ao longo das ligações H, podemos medir diretamente suas propriedades, como quanta carga eletrônica é compartilhada e como a força da ligação H é afetada.”
O método, que a equipe afirma ter potencial “transformador” para caracterizar interações em qualquer material, foi publicado em Ciência .
A capacidade de quantificar diretamente a força da ligação H é um método poderoso que pode ser usado para esclarecer detalhes em nível molecular de qualquer solução.
Sylvia Roke
Olhando as coisas de um novo ângulo
Para distinguir entre moléculas interagentes e não interagentes, os cientistas iluminaram a água líquida com pulsos de laser de femtosegundo (um quatrilionésimo de segundo) no espectro do infravermelho próximo. Essas rajadas ultracurtas de luz criam pequenas oscilações de carga e deslocamentos atômicos na água, que desencadeiam a emissão de luz visível. Esta luz emitida aparece num padrão de dispersão que contém informações importantes sobre a organização espacial das moléculas, enquanto a cor dos fótons contém informações sobre os deslocamentos atômicos dentro e entre as moléculas.
“Experiências típicas colocam o detector espectrográfico em um ângulo de 90 graus em relação ao feixe de laser recebido, mas percebemos que poderíamos sondar moléculas em interação simplesmente mudando a posição do detector e registrando espectros usando certas combinações de luz polarizada. Desta forma, nós pode criar espectros separados para moléculas que não interagem e que interagem”, diz Roke.
A equipe conduziu mais experimentos com o objetivo de usar o CVS para separar os efeitos quânticos eletrônicos e nucleares das redes de ligações H, por exemplo, alterando o pH da água através da adição de íons hidróxido (tornando-a mais básica) ou prótons (mais ácida). ).
“Os íons hidróxido e os prótons participam da ligação de H, portanto, a alteração do pH da água altera sua reatividade”, diz a doutoranda Mischa Flór, a primeira autora do artigo. “Com o CVS, podemos agora quantificar exatamente quanta carga extra os íons hidróxido doam para as redes de ligações H (8%) e quanta carga os prótons aceitam delas (4%) – medições precisas que nunca poderiam ter sido feitas experimentalmente antes. ” Estes valores foram explicados com a ajuda de simulações avançadas realizadas por colaboradores em França, Itália e Reino Unido.
Os pesquisadores enfatizam que o método, que também corroboraram por meio de cálculos teóricos, pode ser aplicado a qualquer material e, de fato, vários novos experimentos de caracterização já estão em andamento.
“A capacidade de quantificar diretamente a força da ligação H é um método poderoso que pode ser usado para esclarecer detalhes de nível molecular de qualquer solução, por exemplo, contendo eletrólitos, açúcares, aminoácidos, DNA ou proteínas”, diz Roke. “Como o CVS não se limita à água, também pode fornecer uma riqueza de informações sobre outros líquidos, sistemas e processos.”
Referências
Dissecando a rede de ligações de hidrogênio da água: transferência de carga e efeitos quânticos nucleares. Ciência.10.1126/ciência.ads4369
