Dipartimento di Fisica

Dimostrata su scala microscopica l’esistenza di due distinte forme d’acqua allo stato liquido: i risultati spiegherebbero le anomalie dell’elemento più prezioso e abbondante della Terra. La ricerca internazionale, coordinata da Francesco Sciortino della Sapienza in collaborazione con Frank Smallenburg e Laura Filion, è pubblicata su Nature Physics.

Le cose semplici sono spesso le più complesse. Non fa eccezione l’acqua, la sostanza chimica virtualmente pura onnipresente nella vita quotidiana. L’acqua infatti ha un comportamento che diverge 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). Per spiegare tale comportamento non convenzionale, eâ•©â•£ stata ipotizzata l’esistenza di due strutture liquide dell’acqua. Secondo questa teoria, al disotto di un punto critico, prossimo alla temperatura di cristallizzazione, lâ•©â•£acqua assumerebbe, pur rimanendo liquida, due forme diverse e si separerebbe in due fasi differenti per densità. Lâ•©â•£acqua meno densa galleggerebbe sopra lâ•©â•£acqua più densa (come lâ•©â•£olio galleggia sullâ•©â•£acqua) nonostante i due liquidi siano composti da molecole identiche.
Secondo i ricercatori cioâ•©â•£ 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.
Tramite simulazioni al calcolatore i ricercatori hanno mostrato che anche lâ•©â•£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 lâ•©â•£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 lâ•©â•£ipotesi che lâ•©â•£acqua possa formare due strutture liquide distinte, ma suggerisce il modo in cui realizzare una sua verifica sperimentale (per esempio tramite l’utilizzo di particelle colloidali tetravalenti di DNA).

Info:
Francesco Sciortino
T (+39) 06 49913799
francesco.sciortino@uniroma1.it