Le due forme dell'acqua

Le due forme dell'acqua
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Friday, 17 July, 2020

A livello molecolare ogni liquido ha una sua propria forma determinata dalla posizione spaziale in cui si dispongono le molecole. Ha, quindi, una struttura unica, ben definita, che corrisponde allo stato di minima energia libera. L'acqua, il liquido della vita, potrebbe essere, pero', differente ed avere non una bensi' due forme molecolari diverse: una forma in cui localmente ogni molecola e' circondata da quattro altre molecole disposte con una geometria tetraedrica, e con le quali forma dei legami particolarmente intensi (legami idrogeno) ed una forma piu' disordinata, in cui questa struttura tetraedrica e' significativamente distorta. Una struttura disordinata in cui alcune molecole formano solo tre o cinque legami idrogeno.

Uno studio apparso su Science, una ricerca congiunta tra il Prof. Sciortino di Sapienza Universita' di Roma ed il Prof. Debenedetti e la Dr. Zerze della Princeton University, fornisce una prova inequivocabile (basata sui piu' accurati modelli oggi disponibili) che non solo effettivamente la struttura dell' acqua non e' univoca, ma anche che la competizione tra queste due strutture determina una vera e propria separazione di fase, sotto 190 gradi Kelvin (una temperatura in cui il liquido e' metastabile rispetto al ghiaccio). Esistono dunque due diverse fasi liquide, con diversa densita' che coesistono. Il lavoro apparso su Science e' il risultato di un lavoro numerico che ha richiesto due anni di calcolo su moderne infrastrutture. Gli autori hanno risolto le equazioni del moto che descrivono l' evoluzione del liquido per ben 100 miliardi di volte di seguito, coprendo cosi' un intervallo temporale di circa 100 microsecondi, migliorando i precedenti calcoli di circa di un fattore 100. Queste lunghe simulazioni, associate a sofisticati metodi di analisi dei dati, sono stata fondamentali per osservare la transizione tra i due liquidi che avviene sulla scala delle decine di microsecondi. "Abbiamo finalmente la prova definitiva che l' acqua, per ora unica tra i liquidi, possa esistere in due forme distinte. Disponiamo di un modello e di dati accurati che ci consentiranno di disegnare esperimenti per osservare e misurare questa transizione di fase cosi inusuale" - dice il Prof. Sciortino.

Possiamo finalmente scartare scenari termodinamici rivelatisi inadeguati a cogliere la presenza di una separazione di fase e cosi' semplificare la ricerca futura. Ma soprattutto - conclude il prof. Sciortino - siamo in condizione di spiegare le molte anomalie dell' acqua (e il massimo della densita' a 4 Celsius e' tra queste) come conseguenza della presenza della transizione intorno a 190 K.

Authors
Pablo G. Debenedetti, Francesco Sciortino e Gül H. Zerze

Reference
Science

L' Università degli Studi di Roma "La Sapienza" - Piazzale Aldo Moro 5, 00185 Roma