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RICERCA - Diverse come due gocce d'acqua

29-07-2014

Ricostruite a livello microscopico le due strutture dell'acqua allo stato liquido

L’acqua, l’elemento più abbondante sulla Terra, ha caratteristiche che divergono da quelle di tutti gli altri liquidi esistenti in natura. Per spiegare tale comportamento non convenzionale, è stata ipotizzata l’esistenza di due strutture liquide dell’acqua. Secondo questa teoria, al disotto di un punto  critico, prossimo alla temperatura di cristallizzazione, l'acqua assumerebbe, pur rimanendo liquida, due forme diverse e si separerebbe in due fasi differenti per densità.  L'acqua meno densa galleggerebbe sopra l'acqua più densa (come l'olio galleggia sull'acqua) nonostante i due liquidi siano composti da molecole identiche. Secondo i ricercatori ciò è reso possibile dalla particolare configurazione delle molecole dell’acqua che, avendo una struttura aperta, possono sviluppare diversi tipi di legami e dare origine a due “reti” di catene molecolari. Il comportamento non convenzionale dell’acqua sarebbe legato quindi alla prevalenza dell’una sull’altra rispetto al variare delle condizioni fisiche.
Tuttavia dimostrare sperimentale questa teoria è complicato perché avvicinandosi alla temperatura del punto critico, che permetterebbe di osservare le due acque in maniera distinta, l’acqua inizia rapidamente il processo di cristallizzazione. Un team internazionale coordinato dal fisico della Sapienza Francesco Sciortino in collaborazione con Frank Smallenburg  e con Laura Filion dell'Università di Utrecht, per superare questa difficoltà ha simulato un liquido composto da particelle di dimensioni nano o microscopiche che interagiscano tra loro come le molecole di acqua. “Negli ultimi anni – spiega Francesco Sciortino - è in atto un forte sviluppo nella sintesi di particelle colloidali con interazioni direzionali che stanno aprendo la strada per la costruzione di materiali intelligenti e programmabili. Tali particelle permettono non solo di riprodurre su scala più grande il mondo molecolare ma anche di estendere e controllare le interazioni che hanno luogo tra esse”.
Tramite simulazioni al calcolatore i ricercatori hanno mostrato che anche l'acqua colloidale presenta gli stessi comportamenti non convenzionali della vera acqua: essa è infatti caratterizzata da un massimo della densità al crescere della temperatura e quindi da un cristallo meno denso del liquido. A questo punto, sfruttando la possibilità di disegnare l'interazione tra le particelle colloidali, il team ha riprodotto la transizione tra le due forme di acqua senza l’ostacolo dalla formazione del ghiaccio. I risultati ottenuti non solo confermano l'ipotesi che l'acqua possa formare due strutture liquide distinte, ma suggeriscono il modo in cui realizzare una sua verifica sperimentale (per esempio tramite l’utilizzo di particelle colloidali tetravalenti di DNA).
“In definitiva – aggiunge Francesco Sciortino - seguendo la suggestione letteraria di Andrea Camilleri, possiamo dire che l‘acqua non assume, come gli altri liquidi, solo la forma del suo contenitore, ma, su scala molecolare, ha anche forme sue proprie.”
Ora i fisici teorici lanciano la sfida agli sperimentali: provare ad “allontanare” il più possibile il punto critico da quello di cristallizzazione dell’acqua, o addirittura creare le condizioni perché l’acqua non ghiacci a basse temperature. Sarà la conferma empirica dell’esistenza di due acque liquide.

Erasing no-man’s land by thermodynamically stabilizing the liquid–liquid transition in tetrahedral particles. Frank Smallenburg, Laura Filion and Francesco Sciortino-doi:10.1038/nphys3030