Genial: Richard Saykally (Português)

Vestindo seu trabalho regular traje—jeans e uma camisa Havaiana—Richard Saykally diz-me quatro palavras a resposta para uma pergunta que eu tinha, muitas vezes, ponderou no chuveiro: Por que água é molhada?

“Strong tetrahedral hydrogen bonding,” he said. A resposta não forneceu a iluminação instantânea que eu esperava, mas então, a água não é simples., Saykally’s research group at the University of California, Berkeley (where he is a professor of chemistry) studies water with an exotic-sounding list of apparatuses, including cavity ringdown spectroscopes, terahertz lasers, and supersonic beams.

Seu objetivo é desenvolver um “campo de força da água universal”, um modelo de computador de água que poderia prever o comportamento da água em qualquer circunstância, até a escala atômica. Fiquei devidamente impressionado com esta ambição, mas não particularmente intimidado: Saykally certificou-se disso, oferecendo mais de uma vez para me tocar uma canção em sua harmônica.,

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Entrevista Transcript

Por que a água está molhada?quando as minhas filhas eram muito pequenas tivemos uma revelação interessante sobre esse assunto. Estava a dar banho às minhas duas filhas quando eram muito novas e a minha filha mais nova disse: “Papá? Porque é que a água está molhada?”E a resposta adequada é: forte ligação de hidrogênio tetraédrico, que eles então relacionaram com seus professores por anos depois sempre que o assunto da água veio, eles diriam, “forte ligação de hidrogênio tetraédrico!”Mas essa é a resposta correcta., É isso que molha a água.como é um aglomerado de água?um aglomerado de água é um arranjo de duas ou mais moléculas de água. Assim, adoptam várias estruturas. Duas moléculas de água, realmente, não tem muito de uma forma; três moléculas de água faz um três-lembrou anel; quatro faz uma squarish-à procura do anel; cinco torna um pentágono; e, quando chegar a seis moléculas de água, a morfologia alterações de ser cíclica planar de ser tridimensional da gaiola; e, posteriormente, sete, oito, nove e assim por diante aparência tridimensional gaiolas., A água oito-o aglomerado de oito vezes-parece um cubo distorcido, e então todos os aglomerados maiores constroem sobre essa forma cúbica. Estas são as formas mais estáveis que você encontraria em muito perto do zero absoluto de temperatura.é possível outra forma de água líquida?

Este é atualmente o assunto mais debatido sobre a água. Tem sido postulado por algum tempo que na região profundamente supercool de água—isto é, quando a água é resfriada abaixo de seu ponto de congelamento—que pode existir dois tipos diferentes de líquido., Água líquida comum que chamamos de forma de baixa densidade e é proposto que há uma forma de alta densidade de água e que há uma transição de fase entre estes dois tipos na região super fria. E este debate surgiu várias vezes, mas neste momento está a ser ferozmente debatido. Na verdade, um dos meus colegas deste departamento—um químico teórico muito famoso—e o seu antigo aluno estão na vanguarda disto, e ainda não foi resolvido.porque é que a água perde densidade à medida que se transforma em gelo?,

Quando a água congela em gelo comum, que é o tipo que faz os cubos de gelo que flutuam em nossas bolas altas, isso acontece no que chamamos de zero graus centígrados, à pressão atmosférica. Quando a água congela em gelo, cria uma estrutura muito aberta. Essa forma de gelo compreende matrizes de seis anéis membros que são empilhados em cima um do outro para fazer canais e a maior parte desse gelo é na verdade espaço vazio., Quando você derrete o gelo para fazer água líquida, você quebra cerca de 10 por cento das ligações de hidrogênio no gelo e ele se torna muito mais desordenado e compacto, de modo que o líquido estar mais desordenado é mais denso do que o gelo. Quando o gelo congela, faz esta rede muito aberta e a densidade cai cerca de 10%. Mas isso só é verdade para a forma familiar de gelo que chamamos de Ice 1h, para hexagonal. Existem na verdade 16 formas cristalinas de gelo. Todas as outras formas são realmente mais densas que a água líquida. Apenas uma das 16 formas é realmente menor que.,por que existem 17 tipos diferentes de gelo?apenas a forma familiar de gelo a que chamamos gelo um é menos densa que o líquido. Todas as outras formas são mais densas que o líquido e formam-se a altas pressões. Quando se aperta a estrutura do gelo 1h, força-se em arranjos mais compactos. Como eu disse, a estrutura cristalina do gelo 1h tem uma grande quantidade de espaço vazio nele, então quando você aperta sobre ele através da aplicação de altas pressões, você forçá-lo em estruturas mais compactas; bem, você preenche esse espaço vazio mais., E quanto mais você aperta, você forma estruturas cada vez mais compactas e densas até que você atinja o que chamamos de um limite apertado, que ainda não foi alcançado. Assim, à medida que a tecnologia evolui para aplicar pressões cada vez maiores, você pode colapsar o gelo para formas mais densas e mais densas. Acho que ainda não acabámos. Existem 16 formas cristalinas e à medida que a tecnologia evolui, provavelmente seremos capazes de gerar mais seis ou oito. Além das 16 formas cristalinas de gelo, existem também formas amorfas ou vítreas de gelo que estão, por definição, desordenadas, e há uma família inteira delas., Costumava-se acreditar que havia dois tipos de gelo amorfo, mas agora percebemos que há realmente muitos, de densidade variável.como é que a superfície da água é diferente da água a granel?

na superfície da água há um arranjo diferente de ligação hidrogénio. Na água a granel, cada molécula de água faz aproximadamente quatro ligações de hidrogênio com outras moléculas de água em ângulos tetraédricos; não perfeito, como no caso do gelo 1h. então é uma rede tetraédrica desordenada. Mas na superfície quando as moléculas de água terminam o grosso, há necessariamente menos ligações de hidrogênio., Então o número médio de ligações de hidrogênio para moléculas de água na superfície é talvez duas e meia ou algo assim. Assim, há ligações o-H (oxigênio-hidrogênio) na superfície da água e isso faz com que a camada de superfície se comporte de forma diferente do que a maior parte. Então você tem a camada mais externa de densidade líquida, como lhe chamaríamos, definindo a superfície e então você se torna mais ordenado à medida que você se move dessa camada mais externa de densidade líquida para o verdadeiro volume. Então a camada superficial tem menos ligações de hidrogênio; é mais móvel e tem diferentes propriedades de ligação.,por que há um debate intenso sobre o que os íons fazem na superfície da água?

Que tem sido um dos temas mais controversos envolvendo água, por décadas, porque o comportamento dos íons na superfície da água tem implicações profundas na biologia e de outras áreas da ciência; portanto, é um assunto importante em um sentido prático. O comportamento dos íons Na água tem sido classicamente descrito através do que nós chamaríamos de teoria do contínuo dielétrico e isso está na maioria dos livros sobre a água até recentemente e isso diz que não deve haver íons na superfície da água., Mas, precisamos ser um pouco mais específicos; vamos chamá-lo de interface ar-água ou a interface da água com os domínios hidrofóbicos das proteínas. Nesses casos, não deveria haver íons nessas interfaces por causa de um fenômeno chamado repulsão de carga de imagem que emerge nesta teoria dielétrica do contínuo.

mas essa teoria está desatualizada e ao longo dos anos as experiências acumularam-se que demonstraram claramente que alguns íons preferem estar na superfície ao invés de na massa. O meu grupo estabeleceu uma série de diferentes íons como casos em que isso é obedecido., Esses íons preferem a superfície e nós verificamos numericamente as energias e forças com as quais eles são atraídos para a superfície. Então isso é uma violação da descrição textual de íons na superfície da água.por que é tão difícil medir a taxa de evaporação da água?

tem sido muito difícil de medir ao longo dos anos, porque é um fenômeno da superfície, muito sujeito a problemas de contaminação; e talvez mais importante, a evaporação da água é um evento muito raro., Se você é uma molécula de água em um copo de água, ou mesmo na superfície da água em um copo de água, a probabilidade de você evaporar é muito baixa. É um evento muito raro quando uma molécula de água sai da superfície e, portanto, é extremamente difícil modelar esse fenômeno por simulações de computador. E os experimentos são muito problemáticos porque a contaminação da superfície é um problema muito grande.,

E o outro problema é que a maioria dos experimentos que têm abordado o que observar simultânea de evaporação e de condensação, porque nesses experimentos, há uma camada de vapor de água e o contato com os líquidos água, e de modo a obter a condensação do vapor para o líquido, ao mesmo tempo, você está tendo o líquido evaporar para a fase de gás e é muito difícil separar os dois processos., Então o que o meu grupo fez, para tentar separar esses processos, foi usar a tecnologia de microjato líquido onde nós iríamos fazer um microjato de água, que era talvez 10 mícrons de diâmetro, em um sistema de vácuo e então nós poderíamos organizar as condições para olhar para a evaporação sem ter qualquer condensação obscurecer nossos resultados.,portanto, estas são as nossas experiências recentes e os nossos resultados concordam muito bem com cálculos teóricos que foram feitos pelo grupo de David Chandler, onde foram capazes de transcender esta limitação de serem capazes de simular eventos muito raros devido a esta bela metodologia de eventos raros que o Grupo Chandler desenvolveu chamada amostragem de caminho de transição., Nessa metodologia, são capazes de observar diretamente os detalhes de como uma molécula de água evapora-se mesmo que é um evento raro e eles mostram em seu recente papel que uma molécula de água se evapora da superfície quando ele entra em conflito com outra molécula líquida de tal forma a dar-lhe o suficiente energia cinética para escapar da tensão superficial, vamos chamá-lo, da superfície, e ele o faz de modo que a superfície tem uma capilaridade da onda, como o chamamos. Haverá uma flutuação anormalmente grande na topologia da superfície., Então é como uma onda se rompe do líquido e quando essa onda se rompe, ela estica as ligações de hidrogênio na molécula de água superficial e enfraquece-a o suficiente para que a molécula possa escapar.o que achas da actual seca na Califórnia?bem, acho que isto tem de ser levado muito a sério. Eu realmente passei um bom tempo no último mês pensando sobre isso e educando-me sobre a situação de seca e como alguma da tecnologia que está sendo proposta para mitigar isso pode ser implementada. Primeiro, há muita desinformação por aí., Ouvimos dizer que esta é a pior seca da história da Califórnia. Temos de qualificar isso. Na história escrita desde que o governo da Califórnia foi formado, isto é provavelmente verdade. Mas na história natural da Califórnia, sabemos que houve secas muito, muito piores. Vejamos, foi há quantos Anos … séculos atrás, há evidências de anéis de árvores que foram recentemente estudadas por especialistas em fósseis que mostram que na verdade houve secas de 150 anos não muito longe na história natural da Califórnia-digamos 500 anos ou algo assim há., Esqueci-me das datas exactas. Mas houve um registo de secas muito piores do que as que estamos a viver agora. É totalmente possível que isso se transforme em uma seca de 50 anos ou de 100 anos, o que seria devastador, a menos que tenhamos fontes confiáveis de água que não dependam da precipitação.a dessalinização parece ser o curso de ação mais sábio para áreas costeiras como a Califórnia, onde temos um oceano muito próximo., Se conseguirmos descobrir como dessalinizar a água do oceano a baixo custo e fazê-lo de uma forma que não adicione muito dióxido de carbono à nossa atmosfera, isso seria um grande passo em frente para o bem-estar a longo prazo da Califórnia. E acabei de passar 10 dias em San Diego, onde o maior projeto de dessalinização no hemisfério ocidental está quase concluído em Carlsbad, norte de San Diego. Há uma usina de dessalinização de US $ 1 bilhão que está programada para entrar em funcionamento em um par de meses e eu fiquei muito interessado na física e química dessas usinas de dessalinização., E agora, a dessalinização é muito cara e muito exigente em energia e não será realmente uma maneira ambientalmente aceitável de produzir água doce a menos que possamos torná-la muito, muito mais eficiente e menos poluente.alguns colegas meus e eu fizemos uma pequena proposta durante o meu tempo em San Diego com o título de ” para uma dessalinização verde e eficiente.”A tecnologia em que as pessoas estão pensando agora está usando o que chamamos nanotubos de carbono como uma forma de filtrar o sal da água do mar., É possível que isso possa ser feito com muito menos energia, porque a resistência a empurrar água através destes tubos pode ser muito menor do que com a tecnologia atual, mas isso deve ser estabelecido através da ciência laboratorial fundamental que estou propondo fazer e outras pessoas estão propondo fazer., Precisamos estudar o comportamento dos íons na interface de água, o nosso assunto anterior, com estas membranas de carbono, e é possível que a natureza da interface é tal que, com a devida geometria, a água pode fluir através de tubos de carbono puro, com muito baixa resistência, de modo que você pode usar muito baixa pressão para forçar a água do mar através da desalinating membranas. É uma perspectiva muito excitante. E isso reduziria muito o consumo de energia.,e então há maneiras de pensar sobre como sequestrar o dióxido de carbono produzido, digamos, pelo gás natural como um meio de produzir eletricidade, para sequestrar o dióxido de carbono produzido nessa combustão em aquíferos profundos de água muito salgada que é o produto da dessalinização. Você tem grãos de sal muito concentrados que causam um problema na eliminação. Então, se alguém pudesse realmente usar esses fios para armazenar o dióxido de carbono, isso seria um grande avanço também. As pessoas estão pensando em todas essas direções; e ao mesmo tempo, esperando que a Califórnia não esteja embarcando em uma seca de 100 anos!,o que é um dímero de água e por que é importante para compreender a nossa atmosfera?um dímero de água é um aglomerado de duas moléculas de água onde uma molécula de água doa uma ligação de hidrogénio à outra. É muito importante em um sentido teórico porque é o protótipo de uma ligação de hidrogênio. Em um sentido prático, tem havido muita discussão sobre o papel potencial deste dímero de água na atmosfera., Há algumas reacções importantes na atmosfera—por exemplo, a formação de chuva ácida—que avançariam muito mais rapidamente se houvesse, de facto, dímeros de água presentes na atmosfera. Por exemplo, a reação do trióxido de enxofre SO3 com uma molécula de água para fazer ácido sulfúrico, e subsequentemente chuva ácida, exigiria a colisão de três moléculas gasosas. Mas se, em vez disso, uma molécula de SO3 pudesse colidir com um dímero de água, aceleraria grandemente as reações e a subsequente formação de chuva ácida.,

E também, do ponto de vista da absorção da luz solar, o dímero de água absorve numa parte diferente do espectro electromagnético do que apenas um monómero de água, uma única molécula de água, e pode potencialmente desempenhar um papel importante no aquecimento global. Então tem havido muito interesse em determinar: existem concentrações apreciáveis de dímeros de água na atmosfera, e se assim for, onde eles estariam mais provavelmente localizados? A resposta parece ser que os dimers da água podem formar-se eficazmente se a umidade relativa for elevada e isso acontecer nas regiões do equador., Então parece que à medida que o ar úmido dos trópicos em torno do equador sobe, os dimeros de água podem se formar na atmosfera de forma bastante eficaz e se então eles podem ser transportados para outras regiões da atmosfera é uma questão atual.é apenas coincidência que a água seja essencial para a vida na Terra?

não, é algo intrínseco sobre a água na medida em que a forte rede de ligação tetraédrica de hidrogênio que a água faz é um ambiente muito flexível para processos químicos acontecerem., Ele tem o direito de propriedades para dissolver muitos íons; ele tem o direito de propriedades para provocar o que chamamos de hidrofóbico materiais para dobrar para cima de maneiras especiais; e seria difícil para o desenho de um líquido que é que versátil que pode adotar tantas configurações diferentes no líquido, e assim por diante. É muito especial.o que é que a água nos ensinou sobre a ligação do hidrogénio?

a natureza da própria ligação do hidrogénio tem sido vigorosamente debatida durante décadas., Originalmente pensava—se que a ligação de hidrogênio era uma manifestação do que chamamos de momento dipolo das moléculas de água-que há um fim positivo e um fim negativo para cada molécula de água e a ligação de hidrogênio ocorre quando esses dois dipolos interagem de uma forma atraente. Mas como a sofisticação de ambos experimento e teoria evoluiu, que levou a uma mais complexa descrição com base na teoria quântica, onde sabemos agora que, de fato, a principal fonte de atração entre duas moléculas de água que compreende a sua ligação de hidrogênio é este dipolo-dipolo interação, como é chamado, mas há outros., Há também algo chamado indução onde este dipolo de uma molécula de água distorce a nuvem de elétrons da outra e isso adiciona alguma atração a ela. Há também algo chamado dispersão, que é um efeito estritamente mecânico quântico onde as nuvens elétricas das duas moléculas interagem de uma forma atraente. E então o quarto componente é repulsão – que à medida que você traz dois objetos, quaisquer duas moléculas ou átomos, próximos o suficiente, suas nuvens elétricas começam a se sobrepor e se torna muito repulsivo, e isso limita o quão perto você pode trazer duas moléculas de água juntas., Então agora entendemos que a ligação de hidrogênio é realmente uma soma dessas quatro interações diferentes que chamamos de eletrostática, indução, dispersão e repulsão.porque inventou um novo laser para estudar água?duas moléculas de água vibram em relação uma à outra pelo movimento de alongamento ou o movimento de flexão dessa ligação de hidrogênio e essas frequências ocorrem na região infravermelha distante do espectro—ou na região de terahertz, como é chamado. É a mesma região do espectro., Então a sonda mais direta de uma ligação de hidrogênio é realmente olhar para as vibrações de alongamento e flexão dessa ligação de hidrogênio em si e isso acontece na região infravermelha ou terahertz distante do espectro. Então nós desenvolvemos tecnologia baseada em lasers infravermelhos distantes para ser capaz de olhar, para ser capaz de medir esses movimentos em moléculas de água e isso foi o que levou a nossos muitos estudos de aglomerados de água.

Qual é o ” campo universal de força da água?,”

isto é o que eu estava dizendo a vocês é o objeto final de nossa pesquisa no estudo de aglomerados de água, tanto teoricamente a partir de nossas experiências e com química quântica; para produzir o modelo perfeito para a água. Queremos combinar todas as informações disponíveis de estudos de clusters de água com a nossa espectroscopia de laser de terahertz, de cálculos químicos quânticos, e de medições de fase condensada—queremos juntar todas essas informações e fazer um modelo de computador de água que irá responder a qualquer pergunta que você fizer., Qualquer pergunta que seja, em princípio, responsável poderia então ser respondida por um cálculo computacional se você tivesse o modelo perfeito de água. E esse modelo perfeito de água é o que temos chamado o modelo universal dos primeiros princípios da água.que previsões poderia fazer com o modelo universal da água?se tivéssemos o modelo de água perfeito e tivéssemos muito tempo no computador, poderíamos fazer simulações que testariam esta ideia de: “Existem dois tipos de água líquida conectados por uma transição de fase de primeira ordem.”Esse tipo de coisa pode ser feito., Poderíamos fazer cálculos computacionais da superfície da água e determinar com precisão como a superfície se parece e como essa superfície muda à medida que colocamos a superfície da água em contato com o domínio hidrofóbico de uma proteína, por exemplo. Qualquer questão que se possa colocar sobre a água, que é, em princípio, responsável, poderia ser abordada através de um cálculo computacional utilizando o modelo perfeito da água.

A razão pela qual não podemos fazer isso agora é porque, como eu disse, existem 100 ou mais modelos—modelos computacionais para água—e todos eles fazem algumas coisas bem., Nenhum deles fazer tudo bem e, em particular, estes modelos foram desenvolvidos para a água em temperatura ambiente ou em uma estreita faixa de temperatura, de modo que quando você tomar estes modelos de computador para a água desenvolvido na temperatura de quarto e aplicá-los no supercool região para o estudo, “há dois tipos de líquidos no supercool região,” a primeira coisa que vem à mente é esta água modelo não é capaz de dar resultados confiáveis em que a temperatura muito baixa gama. Não foi produzido com isso em mente., Então, se tivéssemos um modelo de princípios universais, funcionaria a todas as temperaturas, todas as pressões, etc.o que tem a água que a torna madura para especulações pseudocientíficas?bem, uma vez que vivemos em um planeta de água e a água faz muito parte da vida diária de todos os seres humanos, foi reconhecido desde cedo que a água é essencial e tem essas propriedades incomuns. Então se você voltar para os gregos, a formulação grega da química era que havia quatro elementos: terra, ar, fogo e água, certo? E de fato, havia várias filosofias concorrentes., É apenas recentemente na ciência onde estamos fazendo medições cuidadosas de coisas que afirmamos estar corretas. A ciência moderna funciona com base na previsão da sua teoria ou das suas leis de química e física e testa-a contra a experiência. Isso não foi o caso e assim todas essas pseudociências evoluíram com base nesta ideia inicial de que a água é um elemento tão essencial. Então a homeopatia evoluiu desse tipo de pensamento.mesmo no contexto moderno, um dos debates interessantes é: Existe algo único sobre a chamada água estruturada?, Há empresas que vendem água engarrafada e estruturada e eles fazem alegações de que a água estruturada de alguma forma penetra suas paredes celulares de forma mais eficaz e tem todos os tipos de benefícios para a saúde e tudo isso. Não há nenhuma base científica nisso. Não se pode fazer água estruturada. Não faz sentido porque a ligação de hidrogénio na água vive por alguns picossegundos-10-12 segundos-e estas estruturas de ligação de hidrogénio da água estão a reorganizar-se muito rapidamente para que não haja aglomerados de água existentes como entidades isoladas na água, apesar de muitas destas reivindicações., Mas ainda assim você pode ir à loja e encontrar água engarrafada que supostamente tem essas propriedades mágicas estruturais e assim por diante.Quem te inspira?bem, o meu herói pessoal na ciência foi Charles Townes. Charles Townes faleceu recentemente e foi um físico muito famoso aqui na Universidade de Berkeley. Charles Townes foi co-inventor do laser que recebeu o Prémio Nobel em 1950, esqueci-me das datas, mas ele recebeu o Prémio Nobel por inventar o laser., Ele descobriu a primeira moléculas no espaço e, mais recentemente, em colaboração com o seu pós-doc Reinhard Genzel estabeleceu a primeira caracterização de um buraco negro—uma caracterização detalhada do buraco negro que existe no centro da nossa galáxia—ele é apenas um fantástico cientista. E uma das coisas mais emocionantes para mim vir para Berkeley, que eu fiz em 1979, foi ser capaz de interagir com Charles Townes, que tinha sido um herói meu desde que eu fui para a faculdade., Uma das primeiras coisas que me aconteceu quando me juntei ao grupo de pesquisa de (Robert) Claude Woods na Universidade de Wisconsin na escola de pós-graduação é que ele me entregou o livro de Charles Townes chamado, espectroscopia de microondas, e ele diz, “leia isto, esta é a Bíblia.”E assim Charles Townes sempre foi um grande herói meu e eu acho que tenho uma grande escolha em heróis.o que serias se não fosses cientista?se eu não fosse cientista?, Bem, a história é que eu cresci no norte do Wisconsin, numa cidade com cerca de 100 pessoas, e se você crescer no Wisconsin, você é necessariamente um grande fã da equipe de futebol Green Bay Packers. Então, em meus primeiros dias, eu aspirava a tornar-se um Green Bay Packer jogador de futebol e eu estava dividido entre o número 66, Ray Nitschke, que é o linebacker médio e considerado o mais difícil linebacker no futebol; ou sendo o número 31, Jim Taylor, famoso zagueiro para o Green Bay Packers. Eu queria ser um Packer de Green Bay, mas a triste notícia é que Deus não cooperou muito bem nisso., Como eu estava na minha época do ensino médio, eu queria me tornar uma estrela de rock e tocar em bandas de rock toda a minha vida. Então, se eu não fosse um cientista, hmmm … Ah, outra coisa que aconteceu quando eu era um jubilado, eu, através de questão de sorte, tornou-se uma química maior e gostei muito introdutório, ou calouros de química, mas, em seguida, veio a química orgânica e depois de um ano e meio da química orgânica, tornei-me em inglês. Mas voltei à química. Então sabes que talvez … eu adore escrever. Escrevo um pouco de poesia e escrevo histórias e coisas assim só por Diversão. Posso ser escritor., Ou talvez uma estrela de rock. Mas não sei cantar.Brian Gallagher é o editor assistente de pesquisa Nautilus.