A vida depende das propriedades quânticas concorrentes da água
 |
| Água e a física quântica (Imagem gerado por IA - Salvador Daqui em NightCafé Studio) |
por Hugh Ross
1º de março de 2013
O gelo flutua. As nuvens trazem chuva (na maioria das vezes). O vapor d'água aquece a Terra. A água absorve calor com eficiência. A maior parte da água da Terra contém quantidades significativas de sal.
Nenhuma dessas afirmações parece notável, mas a vida requer água para possuir todas essas propriedades — e muitas outras.
A maioria das propriedades incomuns e favoráveis à vida da água advém de sua interação atrativa entre átomos, chamada ligação de hidrogênio. Ou pelo menos assim pareceria a partir de uma compreensão "clássica" (em oposição à "quântica") de como átomos e moléculas se comportam. De acordo com a perspectiva clássica, os átomos em uma molécula de água sempre têm o mesmo espaçamento fixo e as moléculas se movem de forma contínua e bem especificada. Partindo dessa visão clássica da água, a modelagem da dinâmica atômica e molecular reproduz prontamente as ligações de hidrogênio observadas pelos cientistas em todos os tipos de medições.
Quando os químicos começaram a modelar as interações das moléculas de água e incluíram os efeitos quânticos, os modelos previram que os efeitos das ligações de hidrogênio seriam visivelmente diminuídos. [1] O princípio da incerteza de Heisenberg determina que as moléculas de água não podem ocupar uma posição definida em relação umas às outras. Da mesma forma, as posições atômicas na molécula sofrem a mesma consequência. Em termos práticos, isso significa que as posições atômicas e moleculares flutuam continuamente, com o efeito líquido de reduzir a força das ligações de hidrogênio e, mais importante, de eliminar muitas das propriedades benéficas da água para a vida.
Modelagens mais recentes das interações da água, que incluem os efeitos quânticos de forma mais detalhada e precisa, mostram como dois processos quânticos concorrentes se equilibram para dar à água as propriedades tão vitais para a vida. [2] Distâncias flutuantes quânticas entre moléculas enfraquecem a força das ligações de hidrogênio. As distâncias flutuantes entre os átomos (e as flutuações no ângulo de ligação, que tem uma média de 104,5º), por sua vez, levam a uma maior separação entre as pequenas cargas negativas e positivas na molécula de água. (Os cientistas chamam duas cargas separadas por alguma distância de dipolo.) Essa distância aumentada na carga negativa e positiva parece maior para outras moléculas e, consequentemente, causa uma maior atração dipolo (cargas opostas se atraem) entre as moléculas de água. Os modelos mais precisos mostraram que o aumento na atração dipolo compensa efetivamente a diminuição na ligação de hidrogênio.
Absoluto e Imutável
Antes da revolução quântica no final do século XIX e início do século XX, os cientistas imaginavam o mundo de uma forma clássica. Especificamente, tempo e espaço eram absolutos e imutáveis. Matéria e energia se comportavam de forma contínua, de modo que era possível dividi-las em quantidades arbitrariamente pequenas (pelo menos até atingir o último átomo) sem alterar as propriedades fundamentais da matéria ou energia. Além disso, era possível determinar, com precisão arbitrária, toda e qualquer característica da matéria e da energia. No entanto, de acordo com a mecânica quântica, todas as coisas (espaço, tempo, matéria e energia) vêm em pacotes (graduais) discretos. Além disso, existem limites fundamentais sobre a precisão com que os cientistas podem medir certas grandezas (como a posição e o momento de uma partícula) ao mesmo tempo.
Experimentos realizados por outra equipe de físicos validaram essa imagem, na qual dois efeitos quânticos concorrentes produzem as propriedades da água. A água se forma a partir de dois isótopos diferentes de hidrogênio: (1) hidrogênio com apenas um próton e (2) deutério com um próton e um nêutron. A massa extra do deutério o torna menos suscetível — em comparação com o hidrogênio — às incertezas quânticas no comprimento da ligação. Isso significa que a ligação deutério-oxigênio deve ser menor do que a ligação hidrogênio-oxigênio. Os pesquisadores mediram os comprimentos das ligações em ambos os tipos de água, disparando um feixe de nêutrons através da água e observando como eles se espalhavam. Seus testes confirmaram um comprimento de ligação menor nas ligações deutério-oxigênio, em concordância com o modelo de "efeitos quânticos concorrentes". [3]
As propriedades da água, singularmente adequadas à vida, decorrem da força das interações dentro da molécula e com outras moléculas. A mecânica quântica reduz as interações moleculares de uma maneira: alterando a probabilidade de o hidrogênio passar de uma molécula para outra. No entanto, a mecânica quântica aumenta as interações moleculares de uma maneira completamente diferente: afetando a distribuição de cargas dentro da molécula para fortalecer as atrações eletromagnéticas entre as moléculas. O fato de esse conjunto de propriedades depender de dois efeitos quânticos concorrentes demonstra que a água parece ter sido projetada propositalmente.
Notas de Fim
1º de março de 2013
O gelo flutua. As nuvens trazem chuva (na maioria das vezes). O vapor d'água aquece a Terra. A água absorve calor com eficiência. A maior parte da água da Terra contém quantidades significativas de sal.
Nenhuma dessas afirmações parece notável, mas a vida requer água para possuir todas essas propriedades — e muitas outras.
A maioria das propriedades incomuns e favoráveis à vida da água advém de sua interação atrativa entre átomos, chamada ligação de hidrogênio. Ou pelo menos assim pareceria a partir de uma compreensão "clássica" (em oposição à "quântica") de como átomos e moléculas se comportam. De acordo com a perspectiva clássica, os átomos em uma molécula de água sempre têm o mesmo espaçamento fixo e as moléculas se movem de forma contínua e bem especificada. Partindo dessa visão clássica da água, a modelagem da dinâmica atômica e molecular reproduz prontamente as ligações de hidrogênio observadas pelos cientistas em todos os tipos de medições.
Quando os químicos começaram a modelar as interações das moléculas de água e incluíram os efeitos quânticos, os modelos previram que os efeitos das ligações de hidrogênio seriam visivelmente diminuídos. [1] O princípio da incerteza de Heisenberg determina que as moléculas de água não podem ocupar uma posição definida em relação umas às outras. Da mesma forma, as posições atômicas na molécula sofrem a mesma consequência. Em termos práticos, isso significa que as posições atômicas e moleculares flutuam continuamente, com o efeito líquido de reduzir a força das ligações de hidrogênio e, mais importante, de eliminar muitas das propriedades benéficas da água para a vida.
Modelagens mais recentes das interações da água, que incluem os efeitos quânticos de forma mais detalhada e precisa, mostram como dois processos quânticos concorrentes se equilibram para dar à água as propriedades tão vitais para a vida. [2] Distâncias flutuantes quânticas entre moléculas enfraquecem a força das ligações de hidrogênio. As distâncias flutuantes entre os átomos (e as flutuações no ângulo de ligação, que tem uma média de 104,5º), por sua vez, levam a uma maior separação entre as pequenas cargas negativas e positivas na molécula de água. (Os cientistas chamam duas cargas separadas por alguma distância de dipolo.) Essa distância aumentada na carga negativa e positiva parece maior para outras moléculas e, consequentemente, causa uma maior atração dipolo (cargas opostas se atraem) entre as moléculas de água. Os modelos mais precisos mostraram que o aumento na atração dipolo compensa efetivamente a diminuição na ligação de hidrogênio.
Absoluto e Imutável
Antes da revolução quântica no final do século XIX e início do século XX, os cientistas imaginavam o mundo de uma forma clássica. Especificamente, tempo e espaço eram absolutos e imutáveis. Matéria e energia se comportavam de forma contínua, de modo que era possível dividi-las em quantidades arbitrariamente pequenas (pelo menos até atingir o último átomo) sem alterar as propriedades fundamentais da matéria ou energia. Além disso, era possível determinar, com precisão arbitrária, toda e qualquer característica da matéria e da energia. No entanto, de acordo com a mecânica quântica, todas as coisas (espaço, tempo, matéria e energia) vêm em pacotes (graduais) discretos. Além disso, existem limites fundamentais sobre a precisão com que os cientistas podem medir certas grandezas (como a posição e o momento de uma partícula) ao mesmo tempo.
Experimentos realizados por outra equipe de físicos validaram essa imagem, na qual dois efeitos quânticos concorrentes produzem as propriedades da água. A água se forma a partir de dois isótopos diferentes de hidrogênio: (1) hidrogênio com apenas um próton e (2) deutério com um próton e um nêutron. A massa extra do deutério o torna menos suscetível — em comparação com o hidrogênio — às incertezas quânticas no comprimento da ligação. Isso significa que a ligação deutério-oxigênio deve ser menor do que a ligação hidrogênio-oxigênio. Os pesquisadores mediram os comprimentos das ligações em ambos os tipos de água, disparando um feixe de nêutrons através da água e observando como eles se espalhavam. Seus testes confirmaram um comprimento de ligação menor nas ligações deutério-oxigênio, em concordância com o modelo de "efeitos quânticos concorrentes". [3]
As propriedades da água, singularmente adequadas à vida, decorrem da força das interações dentro da molécula e com outras moléculas. A mecânica quântica reduz as interações moleculares de uma maneira: alterando a probabilidade de o hidrogênio passar de uma molécula para outra. No entanto, a mecânica quântica aumenta as interações moleculares de uma maneira completamente diferente: afetando a distribuição de cargas dentro da molécula para fortalecer as atrações eletromagnéticas entre as moléculas. O fato de esse conjunto de propriedades depender de dois efeitos quânticos concorrentes demonstra que a água parece ter sido projetada propositalmente.
Notas de Fim
- Robert A. Kuharski e Peter J. Rossky, “A Quantum Mechanical Study of Structure in Liquid H2O and D2O”, Journal of Chemical Physics 82 (fevereiro de 1985): 5164–77.
- Scott Habershon, Thomas E. Markland e David E. Manolopoulos, “Competing Quantum Effects in the Dynamics of a Flexible Water Molecule”, Journal of Chemical Physics 131 (julho 2009): 024501.
- Anita Zeidler et al., “Oxygen as a Site Specific Probe of the Structure of Water and Oxide Materials”, Physical Review Letters 107 (30 de setembro de 2011): 145501.
________________________
Traduzido de Life Hinges on Water’s Competing Quantum Properties (RTB)
Etiquetas:
fìsica quântica - química da água - bioquímica
Comentários
Postar um comentário
Escreva aqui seu comentário sobre esta postagem. Caso queira fazer um comentário sobre o blog em geral ou quiser se comunicar pessoalmente comigo, use o formulário de contato que se encontra na coluna lateral do blog.