Entropia nell'acqua diminuita dai campi elettrici

Ricercatori hanno aggiunto un importante tassello alla comprensione delle proprietà termodinamiche dell’acqua, dimostrando tramite simulazioni al supercomputer che l’applicazione di intensi campi elettrici ne riduce l’entropia

I campi elettrici applicati esternamente nell'acqua liquida possono indurre una pletora di effetti con ampie implicazioni nell'elettrochimica e nelle tecnologie basate sull'idrogeno. Sebbene sia stato fatto qualche sforzo per chiarire la termodinamica associata all'applicazione dei campi elettrici nei sistemi acquosi, per quanto ne sappiamo, gli effetti indotti dal campo sull'entropia totale e locale dell'acqua di massa non sono mai stati presentati finora.

Ricercatori dell’Istituto per i processi chimico-fisici del Cnr di Messina (Cnr-Ipcf), lavorando in collaborazione con colleghi dell’Arizona State University e dell’Università degli Studi di Messina, hanno ampliato la comprensione delle proprietà termodinamiche dell’acqua, dimostrando che l’applicazione di intensi campi elettrici ne riduce l’entropia.

Le proprietà dell'acqua hanno una profonda influenza sui processi fisici e chimici essenziali per gli organismi viventi: mentre a livello molecolare è noto che il comportamento della materia è governato dalle interazioni tra campi elettrici locali molto intensi, ad oggi rimane poco chiaro l’effetto che tali campi possono indurre sulla termodinamica dell’acqua.

Lo studio, che ha ricevuto la copertina del “The Journal of Chemical Physics” (1) ha dimostrato – tramite sofisticate simulazioni numeriche al calcolatore – che, sotto l’azione di campi elettrici intensi, le molecole d'acqua subiscono un progressivo “allineamento”, e adottano orientamenti preferenziali paralleli alle linee di campo, formando strutture di legame idrogeno lungo una direzione diagonale rispetto all'asse del campo.

Le simulazioni hanno permesso di elaborare per la prima volta, “mappe tridimensionali” dell’entropia del sistema che rivelano come l’aumento dell’ordine molecolare produca una diminuzione misurabile dell’entropia dell’acqua: questo avrà conseguenze importanti per misurare in maniera più accurata le interazioni tra molecole nei processi biologici (fenomeni di “solvatazione”), in cui simili campi elettrici determinano la selettività e la funzionalità di processi e molecole.

Riferimenti:

(1) Electric-field induced entropic effects in liquid water

Descrizione foto: Mar Tirreno. - Credit: Redazione.

Scheda

Che cosa: “Electric-field induced entropic effects in liquid water”, J. Chem. Phys. 158, 184501 (2023)

Chi: Istituto per i processi chimico-fisici del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ipcf), Arizona State University, Università di Messina

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