Gli scienziati hanno scoperto un nuovo stato della materia per l’acqua

Una delle cose più elementari che ci insegnano nelle lezioni di scienze a scuola è che l’acqua può esistere in tre stati diversi, sia come ghiaccio solido, acqua liquida o gas vapore. Ma un team internazionale di scienziati ha recentemente trovato segni che l’acqua liquida potrebbe effettivamente esistere in due stati diversi.

Scrivendo in un documento sperimentale, pubblicato sull’International Journal of Nanotechnology, i ricercatori sono stati sorpresi di trovare una serie di proprietà fisiche dell’acqua cambiare il loro comportamento tra 50℃ e 60℃. Questo segno di un potenziale passaggio a un secondo stato liquido potrebbe scatenare un’accesa discussione nella comunità scientifica. E, se confermato, potrebbe avere implicazioni per una serie di campi, tra cui la nanotecnologia e la biologia.

Gli stati della materia, chiamati anche “fasi”, sono un concetto chiave nello studio dei sistemi formati da atomi e molecole. In parole povere, un sistema formato da molte molecole può essere disposto in un certo numero di configurazioni a seconda della sua energia totale. A temperature più alte (e quindi a energie più alte), le molecole hanno più configurazioni possibili e quindi sono più disorganizzate e possono muoversi relativamente liberamente (la fase gassosa). A temperature più basse, le molecole hanno un numero più limitato di configurazioni e quindi formano una fase più ordinata (un liquido). Se la temperatura scende ulteriormente, si dispongono in una configurazione molto specifica, producendo un solido.

Questo quadro è comune per molecole relativamente semplici come l’anidride carbonica o il metano, che hanno tre stati chiari e diversi (liquido, solido e gas). Ma per molecole più complesse, c’è un numero maggiore di configurazioni possibili e questo dà origine a più fasi. Una bella illustrazione di questo è il ricco comportamento dei cristalli liquidi, che sono formati da molecole organiche complesse e possono scorrere come liquidi, ma hanno ancora una struttura cristallina simile al solido.

Perché la fase di una sostanza è determinata da come le sue molecole sono configurate, molte proprietà fisiche di quella sostanza cambieranno bruscamente quando passa da uno stato all’altro. Nel recente documento, i ricercatori hanno misurato diverse proprietà fisiche rivelatrici dell’acqua a temperature comprese tra 0℃ e 100℃ in condizioni atmosferiche normali (il che significa che l’acqua era un liquido). Sorprendentemente, hanno trovato una piega nelle proprietà come la tensione superficiale dell’acqua e il suo indice di rifrazione (una misura di come la luce viaggia attraverso di essa) a circa 50℃.

Struttura speciale

Come può essere? La struttura di una molecola d’acqua, H₂O, è molto interessante e può essere immaginata come una specie di punta di freccia, con i due atomi di idrogeno che affiancano l’atomo di ossigeno in alto. Gli elettroni nella molecola tendono ad essere distribuiti in modo piuttosto asimmetrico, rendendo il lato dell’ossigeno negativamente carico rispetto al lato dell’idrogeno. Questa semplice caratteristica strutturale porta a un tipo di interazione tra le molecole d’acqua nota come legame a idrogeno, in cui le cariche opposte si attraggono a vicenda.

Questo dà all’acqua proprietà che, in molti casi, rompono le tendenze osservate per altri liquidi semplici. Per esempio, a differenza della maggior parte delle altre sostanze, una massa fissa di acqua occupa più spazio come solido (ghiaccio) che come liquido (liquido) a causa del modo in cui le sue molecole formano una specifica struttura regolare. Un altro esempio è la tensione superficiale dell’acqua liquida, che è circa il doppio di quella di altri liquidi non polari, più semplici.

L’acqua è abbastanza semplice, ma non troppo. Questo significa che una possibilità per spiegare l’apparente fase extra dell’acqua è che si comporta un po’ come un cristallo liquido. I legami idrogeno tra le molecole mantengono un certo ordine a basse temperature, ma alla fine potrebbero prendere una seconda fase liquida meno ordinata a temperature più alte. Questo potrebbe spiegare le pieghe osservate dai ricercatori nei loro dati.

Se confermate, le scoperte degli autori potrebbero avere molte applicazioni. Per esempio, se i cambiamenti nell’ambiente (come la temperatura) causano cambiamenti nelle proprietà fisiche di una sostanza, allora questo può potenzialmente essere usato per applicazioni di rilevamento. Forse più fondamentalmente, i sistemi biologici sono fatti principalmente di acqua. Il modo in cui le molecole biologiche (come le proteine) interagiscono tra loro dipende probabilmente dal modo specifico in cui le molecole d’acqua si dispongono per formare una fase liquida. Capire come le molecole d’acqua si dispongono in media a diverse temperature potrebbe far luce sul funzionamento di come interagiscono nei sistemi biologici.

La scoperta è un’opportunità eccitante per teorici e sperimentatori, e un bellissimo esempio di come anche la sostanza più familiare ha ancora dei segreti che si nascondono all’interno.

Questo post è apparso originariamente su The Conversation. Segui @US_conversation su Twitter.