L'acqua ha più stati liquidi

Le simulazioni teoriche suggeriscono che l'acqua profondamente super raffreddata subisce una transizione tra forme ad alta e bassa densità, ma questa transizione è difficile da studiare sperimentalmente perché si verifica in condizioni in cui la cristallizzazione del ghiaccio è estremamente rapida.

L'acqua è un liquido onnipresente con molte proprietà uniche. Il modo in cui risponde ai cambiamenti di pressione e temperatura può essere completamente diverso da altri liquidi che conosciamo e queste proprietà sono essenziali per molte applicazioni pratiche e in particolare per la vita come la conosciamo.

Ciò che causa queste anomalie è stato a lungo una fonte di ispirazione scientifica con varie spiegazioni teoriche, ma ora un team internazionale di ricercatori, che include Nicolas Giovambattista, (1) professore presso The Graduate Center, CUNY e presidente del Dipartimento di Fisica al Brooklyn College, ha dimostrato che l'acqua può esistere in due diversi stati liquidi, una scoperta che può spiegare molte delle sue proprietà anomale.

La loro ricerca appare in un articolo pubblicato su Science. (2) «La possibilità che l'acqua potesse esistere in due diversi stati liquidi è stata proposta circa 30 anni fa, sulla base dei risultati ottenuti dalle simulazioni al computer», ha detto Giovambattista. «Questa ipotesi controintuitiva è stata una delle questioni più importanti nella chimica e nella fisica dell'acqua, e uno scenario controverso sin dai suoi inizi. Questo perché gli esperimenti che possono accedere ai due stati liquidi nell'acqua sono stati molto impegnativi a causa della formazione di ghiaccio apparentemente inevitabile nelle condizioni in cui dovrebbero esistere i due liquidi».

Il solito stato “liquido” dell'acqua che tutti conosciamo corrisponde all'acqua liquida a temperature normali (circa 25 gradi centigradi). Tuttavia, il documento mostra che l'acqua a basse temperature (circa -63 gradi centigradi) esiste in due diversi stati liquidi, un liquido a bassa densità a basse pressioni e un liquido ad alta densità a pressioni elevate. Questi due liquidi hanno proprietà notevolmente diverse e differiscono del 20% in densità. I risultati implicano che, in condizioni appropriate, l'acqua dovrebbe esistere come due liquidi immiscibili separati da una sottile interfaccia simile alla coesistenza di olio e acqua.

Poiché l'acqua è una delle sostanze più importanti sulla Terra - il solvente della vita come la conosciamo - il suo comportamento di fase gioca un ruolo fondamentale in diversi campi, tra cui la biochimica, il clima, la crioconservazione, la criobiologia, la scienza dei materiali e in molti settori industriali. Processi in cui l'acqua agisce come un solvente, prodotto, reagente o impurità. Ne consegue che caratteristiche insolite nel comportamento di fase dell'acqua, come la presenza di due stati liquidi, possono influenzare numerose applicazioni scientifiche e ingegneristiche.

«Rimane una questione aperta come la presenza di due liquidi possa influenzare il comportamento delle soluzioni acquose in generale, e in particolare, come i due liquidi possano influenzare le biomolecole in ambienti acquosi», ha detto Giovambattista. «Questo motiva ulteriori studi nella ricerca di potenziali applicazioni».

Il dottor Nicolas Giovambattista è membro del Dottorato di Ricerca in Fisica e Chimica. programmi presso il Graduate Center della City University of New York (CUNY).

Il team internazionale, guidato da Anders Nilsson, (3) professore di fisica chimica all'Università di Stoccolma, ha utilizzato esperimenti complessi e simulazioni al computer per dimostrare questa teoria. Gli esperimenti, descritti come “fantascientifici” da Giovambattista, sono stati eseguiti da colleghi dell'Università di Stoccolma in Svezia, dell'Università POSTECH in Corea, PAL-XFEL in Corea e laboratorio dell'acceleratore nazionale SLAC in California.

Le simulazioni al computer sono state eseguite da Giovambattista e Peter H. Poole, (4) professore alla St. Francis Xavier University in Canada. Le simulazioni al computer hanno giocato un ruolo importante nell'interpretazione degli esperimenti poiché questi esperimenti sono estremamente complessi e alcuni osservabili non sono accessibili durante gli esperimenti.

Informazioni sul Graduate Center della City University di New York

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Riferimenti:

(1) Nicolas Giovambattista

(2) Experimental observation of the liquid-liquid transition in bulk supercooled water under pressure

(3) Anders Nilsson

(4) Peter Poole

Descrizione foto: Il grafico sopra offre una visione concettuale di come l'acqua possa esistere in due stati liquidi separati da un'interfaccia sottile. Il liquido in basso è più denso di quello in alto, perché è composto da molecole d'acqua più confezionate. - Credit: Jerker Lokrantz and Anders Nilsson.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Researchers prove water has multiple liquid states