Propriedades topológicas das redes de ligações de hidrogênio na água em diferentes condições

Abstract

A água líquida não-confinada (bulk) e confinada apresentam arranjos moleculares estruturados que estão relacionados às suas propriedades incomuns (ou “anômalas”). Essas características são atribuídas à estrutura e dinâmica das redes de ligações de hidrogênio formadas e mantida por essa interação intermolecular dominante. Diante disso, o objetivo deste trabalho foi estudar a rede de ligações de hidrogênio da água em diferentes condições, através da teoria dos grafos e observar as relações entre as redes e as propriedades desse líquido, como a heterogeneidade estrutural da água. As propriedades dessas redes foram investigadas por descritores topológicos de redes complexas (binárias e ponderadas) e por estatísticas de ilhas para a água bulk em temperaturas entre 0 e 100 °C e da água confinada em micelas reversas. A água nessas diferentes condições foi simulada com métodos de Metropolis Monte Carlo e de dinâmica molecular com os modelos de potencial TIP4P/2005 e TIP3P, respectivamente. Para a água bulk em diferentes temperaturas, as redes de ligações de hidrogênio são percoladas, mas o descritor semiglobal de comprimento médio de caminho, L, apresentou uma distribuição trimodal, cujas áreas são dependentes da temperatura. Considerando o equilíbrio entre esses três conjuntos de redes, a entalpia e a entropia padrão de equilíbrio foram determinadas pela primeira vez, fornecendo propriedades termodinâmicas das heterogeneidades estruturais da água líquida com perspectivas interessantes para modelar essas propriedades quantitativas das redes de ligações de hidrogênio. Para a água confinada uma distribuição bimodal de L foi observada apenas para a água confinada na micela maior (w0 = 22,2), cujo comportamento se assemelha ao da água bulk. A água nos três confinamentos com w0 = 22,2, 15,4 e 2,2 exibem características de redes de pequeno mundo (small-world), pois apresentaram L comparável à da rede aleatória correspondente, enquanto o coeficiente de agregação é muito maior que aquele da rede aleatória. Em especial, a água confinada na micela menor (w0 = 2,2), mostrou traços de uma subclasse de redes de pequeno mundo, larga-escala (broad-scale) e apresentou uma restrição significativa nas ligações de hidrogênio formadas. Com exceção do comprimento de caminho, L, as propriedades topológicas das redes binárias e ponderadas de todos os sistemas estudados apresentam comportamentos similares. A abordagem de redes complexas utilizada neste trabalho, mostrou diferenças significativas na rede de ligação de hidrogênio da água nas diferentes condições estudadas aqui, e a relação com as propriedades físico-químicas.