venerdì 10 febbraio 2017

Gli scienziati hanno scoperto che l'acqua potrebbe esistere in un nuovo stato


Una delle cose più elementari che ci viene insegnata nelle classi di scienze della scuola è che l'acqua può esistere in tre diversi stati: ghiaccio solido, acqua allo stato liquido e gas o vapore. Ma un team internazionale di scienziati ha recentemente scoperto segni che l'acqua liquida potrebbe avere due stati diversi.

Stando ad un documento sperimentale, pubblicato sull'International Journal of Nanotechnology, i ricercatori sono stati sorpresi di scoprire che un certo numero di proprietà fisiche dell'acqua cambiano il loro comportamento tra 50 C° e 60 C°. Questo segno di un potenziale cambiamento ad un secondo stato liquido potrebbe innescare una accesa discussione nella comunità scientifica. E, se confermato, potrebbe avere implicazioni per una vasta gamma di settori, tra cui le nanotecnologie e la biologia.

Gli stati della materia, detti anche "fasi", sono un concetto chiave nello studio dei sistemi di base di 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 elevate (ed energie di conseguenza superiori), le molecole hanno più configurazioni possibili e così sono più disorganizzate e possono muoversi in modo relativamente libero (fase gassosa). A temperature più basse, le molecole hanno un numero più limitato di configurazioni e così formano una fase più ordinata (liquido). Se la temperatura scende ulteriormente, si dispongono in una configurazione molto specifica, producendo un solido.

Questa immagine è comune per molecole relativamente semplici quali anidride carbonica o metano, che hanno tre chiari stati diversi (liquido, solido e gassoso). Ma per le molecole più complesse, vi è un maggior numero di possibili configurazioni e questo dà luogo a più fasi. Una bella illustrazione di questo è il comportamento ricco dei cristalli liquidi, che sono formati da molecole organiche complesse che possono fluire come liquidi, ma hanno ancora una struttura cristallina simile a un solido

Poiché la fase di una sostanza è determinata da come le sue molecole sono configurate, molte proprietà fisiche di tale sostanza cambieranno bruscamente quando si passa da uno stato all'altro. Nel recente documento, i ricercatori hanno misurato diverse proprietà fisiche rivelatrici dell'acqua a temperature comprese tra 0 C° e 100 C° in condizioni atmosferiche normali (cioè l'acqua era un liquido). Sorprendentemente, hanno trovato una bizzarria per quanto riguarda le proprietà quali la tensione superficiale dell'acqua ed il suo indice di rifrazione (una misura di come la luce viaggia attraverso di essa) a circa 50 C°.

Come può essere? La struttura di una molecola di acqua, H2O, è molto interessante e può essere rappresentata come una sorta di punta di freccia, con i due atomi di idrogeno che fiancheggiano l'atomo di ossigeno in alto. Gli elettroni nella molecola tendono ad essere distribuiti in modo piuttosto asimmetrico, con il lato costituito dall'ossigeno caricato negativamente rispetto al lato costituito dalle due molecole di idrogeno. Questa semplice caratteristica strutturale porta ad un tipo di interazione tra le molecole d'acqua nota come il legame idrogeno, in cui le cariche opposte si attraggono.

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

L'acqua è abbastanza semplice, ma non troppo. Ciò significa che c'è una possibilità di spiegare l'apparente fase extra dell'acqua che in questo caso si comporta un po' come un cristallo liquido. I legami idrogeno tra le molecole mantengono un qualche ordine alle basse temperature, ma alla fine potrebbero dare origine ad una seconda fase liquida, meno ordinata a temperature più elevate. Questo potrebbe spiegare le bizzarrie osservate dai ricercatori nei loro dati.

Se confermati, i risultati degli autori potrebbero avere molte applicazioni. Ad esempio, se i cambiamenti nell'ambiente (come la temperatura) causano variazioni nelle proprietà fisiche di una sostanza, allora questo può potenzialmente essere utilizzato per applicazioni di rilevamento. Inoltre, più fondamentalmente, i sistemi biologici sono per lo più fatti di acqua. Come l'interazione biologica reciproca di alcune molecole (ad esempio le proteine) che probabilmente dipende dal modo specifico in cui le molecole di acqua si organizzano per formare una fase liquida. Capire come le molecole d'acqua si dispongono in media a diverse temperature potrebbe far luce sul modo in cui interagiscono nei sistemi biologici.

La scoperta è un'opportunità interessante per teorici e sperimentali, e un bellissimo esempio di come anche la sostanza più familiare abbia ancora segreti nascosti da svelare.

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