Scoperte due diverse forme dell'acqua. «Galleggiano l'una sull'altra»

Giovedì 16 Luglio 2020
Scoperte due diverse forme dell'acqua. «Galleggiano l'una sull'altra»

Scoperta per la prima volta l'esistenza di due diverse forme dell'acqua. In uno studio pubblicato oggi su «Science» dallo scienziato italiano Francesco Sciortino de La Sapienza e dal team di statunitensi della Princeton University guidati dal fisico argentino Pablo Debenedetti, è stato infatti dimostrato per la prima volta «l'esistenza di due diverse forme di acqua, ovvero di due distinte fasi liquide dell'acqua che a bassissime temperature si separano, galleggiando l'una sull'altra».

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La scoperta, racconta all'Adnkronos il fisico Francesco Sciortino «nasce da lunghe chiacchierate durante il mio anno sabatico negli Usa» con il team del fisico argentino Pablo Debenedetti, «scienziato di origini italiane». Per spiegare la scoperta - dal sapore iconico come 'The Shape of Water' di Guillermo del Toro - Sciortino ricorda che «tutti sappiamo che ogni liquido ha la forma del contenitore che lo accoglie. Sappiamo però che è così solo perché riusciamo a vederlo direttamente con i nostri occhi. Eppure questa affermazione vale unicamente a livello macroscopico». Infatti, lo scienziato spiega che «mentre nei liquidi 'normali' a livello molecolare esiste una sola struttura geometrica che descrive le posizioni relative degli atomi - cioè ogni liquido ha una forma propria determinata dalla posizione spaziale in cui si dispongono le molecole che lo compongono - nel caso dell'acqua abbiamo scoperto che esistono due forme microscopiche davvero distinte».

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«E abbiamo anche scoperto che il passaggio dall'una all'altra forma, a bassa temperatura, avviene all'improvviso» riferisce ancora Sciortino. Insomma, «abbiamo dimostrato anche che c'è un cambio repentino tra le due diverse forme dell'acqua, un cambio che i fisici chiamano 'un punto critico'». L' acqua, «il liquido della vita, a bassissime temperature ha non una ma due forme molecolari diverse: una forma -continua Sciortino - in cui localmente ogni molecola è circondata da quattro altre molecole disposte con una geometria ordinata (tetraedrica) e con le quali forma dei legami particolarmente intensi (i legami idrogeno)». Ma non solo. «L'acqua ha anche un'altra forma in cui la struttura tetraedrica invece è significativamente distorta, ovvero c'è una configurazione più disordinata, in cui alcune molecole formano solo tre o cinque legami idrogeno».

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Sciortino sottolinea che «la competizione tra queste due strutture» spiegherebbe le anomalie dell'elemento più prezioso e abbondante della Terra. Il fisico spiega che «l'acqua infatti ha un comportamento che differisce da quello di tutti gli altri liquidi esistenti in natura. Per esempio come solido ha una densità inferiore che come liquido (si spiega così il galleggiamento del ghiaccio), ha un calore specifico molto alto (è in assoluto il liquido che impiega più tempo per riscaldarsi), ha una tensione superficiale elevata (le gocce d' acqua rimangono integre su molte superfici, come sulle foglie delle piante, e non si espandono come gli altri liquidi)». Nonostante i molteplici lavori, teorici e sperimentali condotti negli ultimi venti anni, Sciortino osserva che «non erano però state prodotte prove definitive del ruolo giocato da queste due strutture all'interno dell'acqua».

Ed ora, il nuovo studio pubblicato da 'Science', «dà una prova inequivocabile», secondo gli scienziati, «basata sui più accurati modelli oggi disponibili, che l'unicità dell'acqua dipenda proprio dalla non univocità della sua forma». In particolare, il lavoro frutto della collaborazione scientifica fra Francesco Sciortino ed il team di Pablo Debenedetti dimostra «per la prima volta che a temperature bassissime la 'competizionè tra le due strutture genera due fasi liquide ben distinte, con diversa densità e che il passaggio tra le due 'acquè costituisce una vera e propria transizione di fase, esattamente come avviene, ad esempio, da una fase solida a una gassosa».

In particolare, i ricercatori hanno visto che «al di sotto della temperatura di circa - 180 gradi Kelvin, l'equivalente di - 90 gradi Celsius, dove l' acqua è metastabile rispetto al ghiaccio, la densità del liquido comincia a oscillare fra due valori: liquido a bassa densità e liquido ad alta densità» riferisce ancora il fisico palermitano. «Come il ghiaccio che galleggia sull'acqua - spiega Francesco Sciortino - sotto i 180 gradi Kelvin, l'acqua di bassa densità galleggia sopra l' acqua di alta densità. Abbiamo dimostrato, con modelli alquanto accurati, un punto critico per la transizione liquido-liquido: la prova teorica che serviva per convincere la comunità scientifica che è possibile avere un sistema puro (una sola componente) con più di una fase liquida».

Per raggiungere questi risultati sono state necessarie, riferiscono i ricercatori, simulazioni estremamente lunghe di sistemi particolarmente grandi, «un vero tour-de-force numerico» che ha richiesto una enorme quantità di risorse di calcolo, sia a Roma che a Princeton. Gli autori infatti hanno risolto le equazioni del moto che descrivono l'evoluzione del liquido per ben 100 miliardi di volte di seguito coprendo così un intervallo temporale di circa 100 microsecondi, per osservare la transizione tra i due liquidi che avviene sulla scala di decine di microsecondi, prima che l' acqua cristallizzi.

«Grazie a questo lavoro - conclude Sciortino - disponiamo di un modello e di dati numerici accurati che ci consentiranno in futuro di osservare la struttura molecolare su scala subnanometrica , per dimostrare sperimentalmente questa transizione di fase e per scartare scenari termodinamici rivelatisi inadeguati a coglierne l'esistenza».

Ultimo aggiornamento: 17 Luglio, 12:25 © RIPRODUZIONE RISERVATA