Gli scienziati hanno scoperto un nuovo stato dell'acqua

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

Una delle cose fondamentali che impariamo nelle lezioni di scienze a scuola è che l'acqua può esistere in tre diversi stati: ghiaccio solido, acqua liquida o vapore gassoso. Ma recentemente, un team internazionale di scienziati ha scoperto segni che l'acqua liquida può effettivamente esistere in due stati diversi.

Mentre conducevano lavori di ricerca - i risultati sono stati successivamente pubblicati sull'International Journal of Nanotechnology - gli scienziati hanno scoperto inaspettatamente che un certo numero di proprietà cambia nell'acqua con una temperatura compresa tra 50 e 60. Questo segno della possibile esistenza di un secondo stato liquido dell'acqua ha acceso un acceso dibattito negli ambienti scientifici. Se confermata, la scoperta troverà applicazioni in molti settori, tra cui la nanotecnologia e la biologia.

Gli stati aggregati, detti anche "fasi", sono il concetto chiave della teoria dei sistemi di atomi e molecole. In parole povere, un sistema composto da molte molecole può essere organizzato sotto forma di un certo numero di configurazioni a seconda della sua quantità totale di energia. Ad alte temperature (e quindi a un livello energetico più elevato), le molecole hanno a disposizione un numero maggiore di configurazioni, cioè sono organizzate meno rigidamente e si muovono in modo relativamente libero (fase gassosa). A temperature più basse, le molecole hanno meno configurazioni e si trovano in una fase (liquida) più organizzata. Se la temperatura scende ancora più in basso, assumeranno una configurazione definita e formeranno un solido.

Questo è lo stato generale delle cose per molecole relativamente semplici come l'anidride carbonica o il metano, che hanno tre stati distinti (liquido, solido e gas). Ma le molecole più complesse hanno un numero maggiore di possibili configurazioni, il che significa che il numero di fasi aumenta. Un'eccellente illustrazione di ciò è il duplice comportamento dei cristalli liquidi, che sono formati da complessi di molecole organiche e possono fluire come liquidi, ma conservano ancora una struttura cristallina solida.

Poiché le fasi di una sostanza sono determinate dalla sua configurazione molecolare, molte proprietà fisiche cambiano drasticamente quando una sostanza passa da uno stato all'altro. Nello studio di cui sopra, gli scienziati hanno misurato diverse proprietà di controllo dell'acqua tra 0 e 100 in condizioni atmosferiche normali (in modo che l'acqua sia liquida). Inaspettatamente, hanno trovato variazioni drammatiche in proprietà come la tensione superficiale dell'acqua e l'indice di rifrazione (l'indice che riflette il modo in cui la luce viaggia attraverso l'acqua) a una temperatura di circa 50.

Struttura speciale

Com'è possibile? La struttura della molecola d'acqua, H₂O, è molto interessante e può essere raffigurata come una sorta di freccia, dove l'atomo di ossigeno si trova in alto, e due atomi di idrogeno lo "accompagnano" dai fianchi. Gli elettroni nelle molecole tendono a essere distribuiti in modo asimmetrico, motivo per cui la molecola riceve una carica negativa dal lato dell'ossigeno rispetto al lato dell'idrogeno. Questa semplice caratteristica strutturale porta al fatto che le molecole d'acqua iniziano a interagire tra loro in un certo modo, le loro cariche opposte si attraggono, formando un cosiddetto legame idrogeno.

Ciò consente all'acqua in molti casi di comportarsi diversamente da quanto osservato da altri liquidi semplici. Ad esempio, a differenza della maggior parte delle altre sostanze, una certa massa d'acqua occupa più spazio allo stato solido (sotto forma di ghiaccio) che allo stato liquido, a causa del fatto che le sue molecole formano una specifica struttura regolare. Un altro esempio è la tensione superficiale dell'acqua liquida, che è doppia rispetto a quella di altri liquidi non polari e più semplici.

L'acqua è piuttosto semplice, ma non opprimente. Ciò significa che l'unica spiegazione per la fase aggiuntiva dell'acqua che si è manifestata è che si comporta un po' come un cristallo liquido. I legami idrogeno tra le molecole mantengono un certo ordine a basse temperature, ma possono anche raggiungere un altro stato più libero con l'aumentare della temperatura. Questo spiega le deviazioni significative osservate dagli scienziati durante la ricerca.

Se ciò sarà confermato, le conclusioni degli autori potrebbero avere molti usi. Ad esempio, se i cambiamenti nell'ambiente (ad esempio la temperatura) comportano cambiamenti nelle proprietà fisiche di una sostanza, in teoria questo può essere utilizzato per creare apparecchiature per il suono. Oppure puoi affrontarlo in modo più fondamentale: i sistemi biologici sono composti principalmente da acqua. È probabile che il modo in cui le molecole organiche (come le proteine) interagiscono tra loro dipende da come le molecole d'acqua formano la fase liquida. Se comprendi come si comportano in media le molecole d'acqua a diverse temperature, puoi chiarire come interagiscono nei sistemi biologici.

Questa scoperta è una grande opportunità per teorici e sperimentatori, nonché un ottimo esempio del fatto che anche la sostanza più familiare può nascondere in sé dei segreti.

Rodrigo Ledesma Aguilar