Moléculas de água e densidade eletrônica correspondente ao estado do exciton resultante da absorção de fótons. Crédito: Krystian Tambur (fundo)/Alexey Tal (moléculas de água)
Os pesquisadores da EPFL alcançaram um avanço significativo na compreensão das propriedades eletrônicas da água, um componente fundamental da vida e do meio ambiente.
Não há dúvida de que a água é significativa. Sem ele, a vida nunca teria começado, e muito menos continuaria hoje – para não mencionar o seu papel no próprio ambiente, com os oceanos cobrindo mais de 70% da Terra.
Mas, apesar de sua onipresença, a água líquida apresenta algumas complexidades eletrônicas que há muito intrigam os cientistas da química, da física e da tecnologia. Por exemplo, a afinidade eletrônica, ou seja, a estabilização energética sofrida por um elétron livre quando capturado pela água, permaneceu pouco caracterizada do ponto de vista experimental.
Desvendando os mistérios eletrônicos da água
Mesmo a teoria da estrutura electrónica mais precisa da actualidade não foi capaz de clarificar o quadro, o que significa que quantidades físicas importantes, como a energia à qual os electrões de fontes externas podem ser injectados na água líquida, permanecem indefinidas. Essas propriedades são cruciais para a compreensão do comportamento dos elétrons na água e podem desempenhar um papel em sistemas biológicos, ciclos ambientais e aplicações tecnológicas como a conversão de energia solar.
Num estudo recente, os investigadores da EPFL Alexey Tal, Thomas Bischoff e Alfredo Pasquarello fizeram avanços significativos na decifração do puzzle. Seu estudo, publicado em PNASaborda a estrutura eletrônica da água usando métodos computacionais que vão além das abordagens mais avançadas da atualidade.
Abordagens Teóricas Avançadas
Os pesquisadores estudaram a água usando um método baseado na “teoria da perturbação de muitos corpos”. Esta é uma estrutura matemática complexa usada para estudar as interações de múltiplas partículas dentro de um sistema, como elétrons em um sólido ou uma molécula, explorando como essas partículas afetam o comportamento umas das outras, não isoladamente, mas como parte de um grupo maior e interativo. Dito de forma relativamente simples, a teoria da perturbação de muitos corpos é uma forma de calcular e prever as propriedades de um sistema de muitas partículas, levando em consideração todas as interações complexas entre seus componentes.
Mas os físicos ajustaram a teoria com “correções de vértices”: modificações na teoria de perturbação de muitos corpos que levam em conta as interações complexas entre partículas além das aproximações mais simples. As correcções de vértices refinam a teoria tendo em conta como estas interacções afectam os níveis de energia das partículas, por exemplo, a sua resposta a campos externos ou a sua auto-energia. Resumindo, as correções de vértices levam a previsões mais precisas das propriedades físicas em um sistema de muitas partículas.
Modelando as propriedades eletrônicas da água
Modelar água líquida é particularmente desafiador. Uma molécula de água contém um oxigênio átomo e dois átomos de hidrogénio, e tanto o seu movimento térmico como a natureza quântica dos seus núcleos desempenham um papel fundamental. Tendo em conta estes aspectos, os investigadores determinaram com precisão as propriedades electrónicas da água, tais como o seu potencial de ionização, afinidade electrónica e band gap. Estas descobertas são essenciais para compreender como a água interage com a luz e outras substâncias a nível eletrónico.
“Nosso estudo dos níveis de energia da água concilia teoria de alto nível com experimento”, diz Alfredo Pasquarello. Alexey Tal sublinha ainda a importância da nova metodologia: “Graças à descrição avançada da estrutura electrónica, também conseguimos produzir um espectro de absorção preciso.”
Um novo paradigma para a ciência dos materiais
As descobertas têm implicações adicionais. Os desenvolvimentos teóricos aplicados pela equipe da EPFL estabelecem as bases para um novo padrão universalmente aplicável para obter estruturas eletrônicas precisas de materiais. Isto fornece uma ferramenta altamente preditiva que poderia potencialmente revolucionar a nossa compreensão fundamental das propriedades eletrônicas na ciência da matéria condensada, com aplicações na busca de propriedades de materiais com funcionalidades eletrônicas específicas.
Referência: “Níveis absolutos de energia da água líquida a partir da teoria de perturbação de muitos corpos com correções de vértices efetivas” por Alexey Tal, Thomas Bischoff, Alfredo Pasquarello, 26 de fevereiro de 2024, PNAS.
DOI: 10.1073/pnas.2311472121
