A construção da água, molécula por molécula

Pela primeira vez, cientistas observaram o processo da criação da água de perto. Em tempo real, em escala molecular, o cientista de materiais Vinayak Dravid, da Northwestern University, dos Estados Unidos, e seus colegas, observaram a menor bolha de água já vista florescer, aparentemente do nada.

Os ingredientes da água são conhecidos. Dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio e voilà – você tem uma molécula do composto mais importante para a vida na Terra. Desta vez, os cientistas aproveitaram os "estranhos poderes" do paládio, um metal que é conhecido por catalisar os dois elementos para sintetizar água.

"Pense no personagem de Matt Damon, Mark Watney, no filme Perdido em Marte", diz Dravid. "Ele queimou combustível de foguete para extrair hidrogênio e então adicionou oxigênio de seu oxigenador. Nosso processo é análogo, exceto que ignoramos a necessidade de fogo e outras condições extremas. Nós simplesmente misturamos paládio e gases."

A capacidade do paládio de sintetizar quantidades significativas de água em um período de tempo relativamente curto também é conhecida. Mas como exatamente isso funciona tem sido difícil de explicar, porque observar o processo nas escalas em que ele ocorre não era possível. "Você realmente precisa ser capaz de combinar a visualização direta da geração de água e a análise estrutural em escala atômica para descobrir o que está acontecendo", explica o cientista de materiais Yukun Liu, da Universidade Northwestern.

Para superar esse obstáculo, a equipe desenvolveu uma membrana que aprisiona moléculas dentro de pequenas células nanoreatoras hexagonais. Isso torna mais fácil obter imagens de processos moleculares usando microscopia eletrônica de transmissão, até a escala nanométrica.

Mesmo assim, os pesquisadores não tinham certeza de que a tentativa de observar diretamente a reação do paládio seria bem-sucedida. Eles adicionaram átomos de hidrogênio e oxigênio à superfície de um pedaço de paládio de 20 nanômetros de largura e usaram sua membrana para capturar a interação resultante.

Uma única molécula de água tem menos de um terço de nanômetro de diâmetro, enquanto os átomos que a compõem são muito, muito menores. Para "ver" a ligação desses minúsculos compostos, os pesquisadores usaram uma forma de microscopia eletrônica que registrava a energia perdida pela dispersão de elétrons.

Surpreendentemente, eles conseguiram observar, em tempo real, átomos se combinando para formar uma pequena bolha de água na superfície do paládio. "Achamos que pode ser a menor bolha já formada que foi vista diretamente", diz Liu. "Não é o que esperávamos. Felizmente, estávamos gravando, então pudemos provar para outras pessoas que não éramos loucos."

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Em seguida, eles experimentaram tentar simplificar o processo, adicionando os gases hidrogênio e oxigênio separadamente. Eles conseguiram determinar que o processo ocorre em duas etapas. Primeiro, os átomos de hidrogênio se espremem na superfície do paládio, inserindo-se na rede atômica e inflando a superfície do metal, fazendo-o expandir.

Então, quando o oxigênio é adicionado, o hidrogênio emerge de seus esconderijos de paládio e se funde com o oxigênio para criar gotículas de água. O paládio, enquanto isso, relaxa de volta ao seu estado original. "O paládio pode parecer caro, mas é reciclável", afirma Liu . "Nosso processo não o consome. A única coisa consumida é gás, e o hidrogênio é o gás mais abundante no universo. Após a reação, podemos reutilizar a plataforma de paládio repetidamente."

É um processo simples e que pode ser escalado. Com suprimentos constantes de oxigênio e hidrogênio reciclados e de paládio, moléculas de água poderiam ser construídas do zero em um habitat lunar, em uma base em Marte, em uma estação espacial ou talvez em um voo espacial de longa distância para as estrelas.

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