Novo modo de observar “dentro” da estrutura microscópica da água é descoberto por cientistas
É a primeira vez que o fenômeno de Decaimento Radiativo Intermolecular (IRD) é visto em líquidos; técnica permite sondar camada de íons em solução
Aprofundar o conhecimento acerca da interação entre água e íons dissolvidos — como sódio e magnésio — é o objetivo de um estudo liderado por pesquisadores da Universidade de Uppsala, na Suécia, com participação da USP. A equipe desenvolveu uma técnica inédita de raios X, capaz de analisar o modo como a água se organiza ao redor de íons dissolvidos, em especial da primeira camada de solvatação (que envolve um íon em solução). A técnica possibilita a investigação de processos importantes, desde a física básica e química ambiental até aplicações industriais que dependem da química de soluções.
O fenômeno trata da primeira observação de um processo chamado Decaimento Radiativo Intermolecular (IRD, em inglês) em líquidos. Neste caso, quando um íon na água perde elétrons após ser atingido por raios X, outro elétron de uma molécula de água próxima preenche a lacuna na camada interna do íon, e a energia liberada é emitida como um fóton de raios X. O fóton emitido carrega uma impressão digital distinta do ambiente imediato do íon, permitindo que os pesquisadores, na prática, sondem a camada de solvatação “por dentro”.
As camadas de solvatação cumprem papéis cruciais nas interações intermoleculares, na reatividade, estabilidade e outras propriedades de soluções. “A camada de solvatação determina como os íons se comportam na água, influenciando tudo: desde a função biológica até a corrosão e a química das baterias”, diz o autor principal, Johan Söderström. “Nossa descoberta mostra que os raios X agora podem ser usados para revelar diretamente a estrutura eletrônica dessa região interfacial crítica.”
O estudo, publicado na Nature Communications, usou radiação síncrotron no Laboratório Max 6 em Lund, Suécia, onde a equipe investigou soluções aquosas de íons de sódio e magnésio. Ao analisar os fótons de raios X emitidos, eles identificaram assinaturas espectrais distintas originadas de moléculas de água vizinhas — evidência do processo IRD recém-descoberto.
Já existem outros métodos que estudam as propriedades específicas de sistemas solvatados. No entanto, muitos deles dependem da detecção de elétrons, o que os torna limitados em meios líquidos uma vez que elétrons dificilmente escapam da solução. O IRD muda esse cenário: ele é baseado na produção de fótons de raios X que atravessam o líquido com facilidade. O professor do Instituto de Física (IF) da USP, Lucas Cornetta, destaca ao Jornal da USP que, “o IRD inaugura uma forma alternativa de sondar essas características específicas no contexto das interações intermoleculares em ambientes líquidos”.
Lucas Cornetta – Foto: ResearchGate
A pesquisa é resultado de uma colaboração teórico-experimental e conta com a participação de Cornetta na frente teórica do trabalho. Ele é um dos responsáveis pela modelagem teórica e computacional do sinal de IRD, abrangendo desde simulações para caracterizar estruturas dos íons metálicos em solução, em nível molecular, até o cálculo das seções de choque de emissão não local de raios-X, baseados em métodos de química quântica.
“Além de aprofundar o entendimento da fenomenologia das interações intermoleculares em solução, a elucidação dos mecanismos de decaimento não local abre caminho para uma nova técnica de caracterização, capaz de complementar métodos já consolidados, como a espectroscopia de fotoelétrons”, comenta o professor da USP.
Resultados experimentais
A modelagem teórica confirmou que o Decaimento Radiativo Intermolecular surge de uma hibridização orbitual (regiões onde os elétrons têm maior probabilidade de serem encontrados) entre o íon e as moléculas de água circundantes. Ou seja: a hibridização sutil entre os orbitais do íon e da água é o que permite e dá intensidade ao fenômeno. De acordo com os pesquisadores, o processo é sensível apenas à primeira camada de solvatação, tornando o IRD uma sonda excepcionalmente seletiva de ambientes químicos locais em líquidos.
“Este é o primo radiativo do conhecido Decaimento Coulombiano Intermolecular”, explica o autor sênior, Olle Björneholm. “Mas, ao contrário dos métodos baseados em elétrons, o IRD emite raios X que podem escapar das profundezas do líquido, permitindo-nos explorar as propriedades da solução em sua totalidade.”
Além do sódio e do magnésio, os pesquisadores também sugerem que o IRD pode ser detectável em outros sistemas, incluindo íons de metais de transição e ânions, sinalizando que o fenômeno é geral — e potencialmente transformador para o estudo da química aquosa e biológica. Essa descoberta abre caminho para estudos específicos de elementos e sítios da estrutura de solvatação, ligações químicas e dinâmica ultrarrápida em líquidos, usando fontes avançadas de síncrotron e laser de elétrons livres, além de investigações sobre como o ambiente molecular afeta reações químicas, processos biológicos e propriedades de materiais em solução, oferecendo uma visão “de dentro para fora” da solvatação.
O artigo Non-local X-ray intermolecular radiative decay probes solvation shell of ions in water está disponível neste link.
*Assessoria de Comunicação do Instituto de Física da USP. Adaptado para o Jornal da USP
**Estagiária sob orientação de Moisés Dorado
