Acqua: un passo in avanti nella conoscenza delle sue proprietà

L’acqua è una sostanza di vitale importanza non solo per noi esseri umani, ma anche per tutti gli altri esseri viventi del nostro pianeta, e per questo è il liquido più studiato. E’ composta da soli tre atomi, uno di ossigeno (con una parziale carica negativa) al quale sono legati due atomi di idrogeno (con una parziale carica positiva). Nonostante la sua apparente semplicità e il fatto che sia il liquido più studiato, risulta essere anche quello meno compreso. Mostra anomalie che vanno contro il senso comune come, ad esempio, il fatto che l’acqua a 4°C sia più densa dell’acqua rispetto al ghiaccio (il che permette il protrarsi della vita sotto i laghi ghiacciati).

La complessità intrinseca dell’acqua è dovuta alla creazione di un network di legami a idrogeno che legano l’atomo di idrogeno di una molecola con quello di ossigeno di una molecola vicina. La formazione di questi legami, però, non è unica. Ogni istante i legami si rompono e se ne formano altri, crendo un network in continuo movimento ed estremamente difficile da modellizzare.

Una caratteristica poco nota dell’acqua è che può esistere in forma liquida anche al di sotto del punto di congelamento, cioè sotto gli 0° C. Questo tipo di acqua viene detta superfredda ed è ottenuta ad alte pressioni. Nel 1992 uno studio teorico basato su simulazioni numeriche [1] propose l’esistenza, a circa -30°C, di quello che viene chiamato punto critico, ovvero un punto in cui l’acqua liquida esiste in due forme: una ad alta densità (in cui le molecole sono cioè vicine tra loro) ed una a bassa densità (in cui le molecole sono lontane). Per vent’anni l’esistenza o meno di questi due liquidi in coesistenza di fase è stata studiata sia teoricamente (tramite simulazioni numeriche e formulazioni di nuovi modelli termodinamici, ottenendo risultati contrastanti) sia sperimentalmente, ma gli esperimenti non sono mai riusciti a fare reale chiarezza per difficoltà tecniche.

Solo recentemente [2] è stato sviluppato un metodo sperimentale che ha consentito ricercatori dell’Università di Firenze e del LENS (l’European Lab for Non-Linear Spectroscopy) di raggiungere le condizioni di lavoro richieste e di osservare che, effettivamente, l’acqua superfredda esiste in due forme che sono in coesistenza ed in equilibrio con il ghiaccio.

[1] P. H. Poole, F. Sciortino, U. Essmann and H. E. Stanley, Nature, 360, 324 (1992).

[2] A. Tashin, P. Bartolini, R. Eramo, R. Righini and R. Torre, Nature Comm, 4, 2041 (2013)