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http://hdl.handle.net/10773/41506
Title: | Study of the structural anomaly of liquid water using upconverting thermometry of Brownian nanocrystals |
Other Titles: | Estudo da anomalia estrutural da água líquida usando termometria por conversão ascendente de energia de nanopartículas Brownianas |
Author: | Maturi, Fernando Eduardo |
Advisor: | Carlos, Luís Dias Brites, Carlos António Delgado Sousa Ribeiro, Sidney José Lima |
Keywords: | Water Anomalies Hydrogen bonds Luminescence thermometry Upconversion Anthanides |
Defense Date: | 22-Jan-2024 |
Abstract: | Although water is the most commonly used liquid, it is one of the most intriguing
substances on planet Earth. This is because, despite having a simple chemical
composition and molecular structure, liquid water exhibits an extraordinarily
complex behavior when subjected to variations in temperature and pressure,
setting it apart from other commonly used liquids. These anomalies in the
behavior of water are easily observed under supercooling conditions, where
water is cooled to temperatures below its freezing point, remaining in the liquid
phase, thus revealing the existence of two distinct liquid states.
While considered a remarkable explanation for the occurrence of its anomalous
properties, the coexistence of these two liquid states of water is difficult to prove
under normal conditions of temperature and pressure. This requires the
development of new experimental approaches to investigate the peculiar
characteristics of water that make life as we know it possible on our planet. Since
the transition between the structures of the two liquid states of water occurs at a
local level, the use of techniques capable of observing fluctuations in microscopic
events is required.
Therefore, this doctoral research work employs the technique of luminescence
thermometry as a powerful tool to identify fluctuations between two types of
hydrogen bond organizations in water molecules arranged around the surface of
Brownian nanoparticles. The obtained results reveal that, in addition to
identifying low and high-density liquid domains, the delicate balance between the
coexistence of these different water domains is strongly influenced by the size of
the nanoparticles and the pH of the aqueous medium, respectively
corresponding to variations in temperature and pressure in a newly proposed
hypothetical phase diagram of water. Embora seja o líquido mais utilizado, a água é uma das substâncias mais intrigantes do planeta Terra. Isso ocorre porque, apesar de apresentar composição química e estrutura molecular simples, a água líquida revela um comportamento extraordinariamente complexo quando sujeita a variações de temperatura e pressão, o que a distingue de outros líquidos comumente utilizados. Essas anomalias no comportamento da água são facilmente observadas em condições de superarrefecimento, quando a água é arrefecida a temperaturas abaixo do seu ponto de congelamento, mantendo-se na fase líquida, e, revelando assim a existência de dois estados líquidos distintos. Apesar de considerada uma explicação notável para a ocorrência de suas propriedades anómalas, a coexistência desses dois estados líquidos da água é difícil de comprovar em condições normais de temperatura e pressão. Isso exige o desenvolvimento de novas abordagens experimentais para investigar as características peculiares da água que tornam a vida como conhecermos possível em nosso planeta. Dado que a transição entre as estruturas dos dois estados líquidos da água ocorre em nível local, é necessária então a utilização de técnicas capazes de observar as flutuações de eventos microscópicos. Portanto, este trabalho de doutoramento emprega a técnica de termometria de luminescência como uma ferramenta poderosa para identificar flutuações entre dois tipos de organização de ligações de hidrogénio em moléculas de água dispostas ao redor da superfície de nano-partículas Brownianas. Os resultados obtidos revelam que, além de ser possível identificar domínios líquidos de baixa e alta densidade, o equilíbrio delicado entre a coexistência desses diferentes domínios de água é fortemente influenciado pelo tamanho das nano-partículas e pelo pH do meio aquoso, correspondendo, respetivamente, às variações de temperatura e pressão em um novo diagrama hipotético de fases da água proposto recentemente. |
URI: | http://hdl.handle.net/10773/41506 |
Appears in Collections: | UA - Teses de doutoramento DFis - Teses de doutoramento |
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