Nova técnica de observar “dentro” da estrutura microscópica da água é descoberta
O método permite sondar camada de íons em solução
Aprofundar o conhecimento acerca da interação entre água e íons dissolvidos é o objetivo de um estudo liderado por pesquisadores da Universidade de Uppsala, na Suécia. O estudo contou com a participação do professor do Instituto de Física (IF) da USP, Lucas Cornetta.
A nova técnica de raios-x é capaz de analisar como a água se organiza ao redor de íons dissolvidos, e possibilita a investigação de processos importantes, desde a física básica e química ambiental até aplicações industriais que dependem da química de soluções.
É a primeira vez que o processo chamado Decaimento Radiativo Intermolecular (IRD, em inglês) é observado em líquidos. A energia liberada no processo, quando um íon na água perde elétrons após ser atingido por raios X, e outro elétron de uma molécula de água próxima preenche a lacuna na camada interna do íon, libera energia emitindo um fóton de raios X. O fóton emitido carrega uma assinatura específica, permitindo que os pesquisadores consigam sondar a camada de solvatação “por dentro”.
“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 do artigo publicado na Nature Communications, Johan Söderström. “Nossa descoberta mostra que os raios X agora podem ser usados para revelar diretamente a estrutura eletrônica dessa região interfacial crítica.”
Existem outras técnicas que estudam as propriedades específicas de sistemas solvatados. No entanto, vários deles utilizam a detecção de elétrons, o que os torna limitados em meios líquidos, uma vez que elétrons dificilmente escapam da solução. O IRD inova ao mudar a abordagem, utilizando a produção e detecção de fótons de raios X, que atravessam o líquido com facilidade. O professor Lucas Cornetta destaca que “o IRD inaugura uma forma alternativa de sondar essas características específicas no contexto das interações intermoleculares em ambientes líquidos”.
O professor do Instituto de Física da USP participa do estudo, que é uma colaboração técnica-experimental, 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. Ele comenta que a técnica do IRD irá complementar métodos já consolidados, como a espectroscopia de fotoelétrons.
Resultados experimentais
A modelagem teórica confirmou que o Decaimento Radiativo Intermolecular (IRD) surge de uma hibridização orbitual, regiões onde os elétrons têm maior probabilidade de serem encontrados, entre o íon e as moléculas de água ao redor. Ou seja, a hibridização sutil entre os orbitais do íon e da água é o que permite e dá intensidade ao fenômeno. O processo é sensível apenas à primeira camada de solvatação, tornando o IRD uma sonda excepcionalmente seletiva de ambientes químicos locais em líquidos.
“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”, explica Olle Björneholm, um dos autores do estudo.
Além do sódio e do magnésio, metais utilizados na pesuisa, é sugerido pelos pesquisadores que o IRD pode ser detectável em outros sistemas, incluindo íons de metais de transição (como o ferro, cobre, níquel, cromo, ouro, platina e outros). e ânions, como cloretos, hidróxidos e sulfatos, sinalizando que o fenômeno é geral, e potencialmente transformador para o estudo da química aquosa e biológica.
A 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 clicando aqui.