Cientistas observam em tempo real uma bolha de água se formar no paládio

Todo mundo conhece a “receita” da água: pegue dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, una-os na proporção certa e, pronto, surge a molécula do composto mais essencial para a vida na Terra.

Agora, pela primeira vez, pesquisadores conseguiram ver essa formação acontecendo bem de perto. Em tempo real e na escala molecular, o cientista de materiais Vinayak Dravid, da Northwestern University, e colegas acompanharam o nascimento da menor bolha de água já observada, aparecendo como se viesse do nada.

Como o paládio consegue catalisar a formação de água

O truque foi explorar um comportamento incomum do paládio - um metal conhecido por catalisar a combinação desses dois elementos e favorecer a síntese de água.

“Pense no personagem do Matt Damon, Mark Watney, no filme Perdido em Marte”, diz Dravid. “Ele queimou combustível de foguete para extrair hidrogênio e depois adicionou oxigênio do seu oxigenador. O nosso processo é análogo, só que eliminamos a necessidade de fogo e de outras condições extremas. Nós simplesmente misturamos paládio e gases.”

Os cientistas já sabiam que o paládio tem essa capacidade curiosa de produzir quantidades relevantes de água em um intervalo relativamente curto. O problema sempre foi explicar, com precisão, como isso acontece - porque é difícil observar o fenômeno nas escalas em que ele de fato ocorre.

“Para descobrir o que está acontecendo, você precisa realmente juntar a visualização direta da geração de água com a análise estrutural em escala atômica”, explica o cientista de materiais Yukun Liu, também da Northwestern University.

Como foi possível observar a reação em escala nanométrica

Para contornar essa barreira, a equipe criou uma membrana capaz de aprisionar moléculas dentro de pequenas células hexagonais que funcionam como nanorreatores. Com isso, processos moleculares podem ser registrados com microscopia eletrônica de transmissão, chegando à escala de nanômetros.

Mesmo assim, os pesquisadores não tinham certeza de que a tentativa de observar diretamente a reação no paládio daria certo. Eles colocaram átomos de hidrogênio e oxigênio sobre a superfície de um fragmento de paládio com 20 nanômetros de largura e usaram a membrana para capturar a interação que se seguiria.

Uma única molécula de água tem menos de um terço de nanômetro de diâmetro - e os átomos que a compõem são muito, muito menores. Para “enxergar” a ligação desses compostos minúsculos, o grupo recorreu a uma modalidade de microscopia eletrônica que mede a energia perdida quando elétrons se espalham ao atravessar o material.

Para surpresa da equipe, foi possível ver, em tempo real, átomos se unindo e gerando uma bolha minúscula de água na superfície do paládio.

“Acreditamos que pode ser a menor bolha já formada que foi observada diretamente”, diz Liu. “Não era o que esperávamos. Ainda bem que estávamos gravando, porque assim pudemos provar para outras pessoas que não estávamos loucos.”

O mecanismo em duas etapas e por que isso pode ser útil no espaço

Em seguida, eles testaram uma forma de tornar o procedimento mais direto, introduzindo os gases de hidrogênio e oxigênio separadamente. Isso permitiu concluir que o processo ocorre em duas etapas. Primeiro, os átomos de hidrogênio se comprimem para dentro da superfície do paládio, encaixando-se na rede atômica e estufando o metal - a superfície se infla e o paládio se expande.

Depois, quando o oxigênio entra na história, o hidrogênio sai desses “esconderijos” dentro do paládio e se combina com o oxigênio, formando gotículas de água. Enquanto isso, o paládio volta a relaxar e retorna ao estado original, sem o inchaço.

“Paládio pode parecer caro, mas é reciclável”, diz Liu. “O nosso processo não o consome. A única coisa consumida é o gás, e o hidrogênio é o gás mais abundante do universo. Após a reação, podemos reutilizar a plataforma de paládio repetidas vezes.”

A abordagem é simples - e, em princípio, escalável. Bastaria usar um pedaço maior de paládio. Com um fornecimento constante de oxigênio e hidrogênio reciclados, seria possível “construir” moléculas de água do zero em um habitat na Lua, em uma base em Marte, em uma estação espacial ou, quem sabe, em uma viagem espacial de longa duração rumo às estrelas.

Com paládio suficiente, a técnica ainda poderia ajudar a complementar o abastecimento de água fora da Terra em locais onde esse recurso é escasso e onde a reciclagem de urina faz parte do cardápio. Nesse cenário, dá para imaginar que um pouco de “suco” produzido pelo paládio seria uma mudança bem-vinda.

O estudo foi publicado nos Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS).