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L’acqua è una sostanza strana: mentre la maggior parte dei materiali si restringe e diventa più densa con il freddo, l’acqua raggiunge la sua densità massima a 4 °C, espandendosi nuovamente quando si avvicina al punto di congelamento.
Se così non fosse, il ghiaccio non galleggerebbe sull’acqua e gli oceani si congelerebbero dal basso verso l’alto, rendendo la vita sulla Terra praticamente impossibile.
Il motivo per cui l’acqua si comporta in questo modo è una questione fondamentale della chimica, a lungo studiata e molto dibattuta. Eppure, nonostante varie ipotesi, i test sperimentali conclusivi sono stati davvero pochi.
A basse temperature e ad alte pressioni, la stranezza dell’acqua diventa particolarmente pronunciata. Il progetto WATER, finanziato dall’UE e sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca, ha rivelato per la prima volta il comportamento molecolare dell’acqua appena prima del congelamento.
Il team è stato il primo a utilizzare i laser a raggi X per questo genere di esperimenti. «La maggior parte delle persone pensava che un esperimento per dimostrare la transizione da liquido a liquido fosse troppo complicato. Ma grazie ai nostri fasci di laser a raggi X, con pulsazioni che vanno da nanosecondi a millisecondi, ci siamo riusciti», afferma Anders Nilsson, coordinatore del progetto.
Il punto critico della transizione da liquido a liquido
La transizione da liquido a liquido descrive il punto in cui un liquido si trasforma in un altro pur mantenendo gli stessi componenti chimici, attraverso un processo denominato transizione di fase. Il team di WATER ha voluto studiare la transizione da liquido a liquido dell’acqua nel regno della «terra di nessuno» delle basse temperature e alta pressione.
I ricercatori del team avevano già dimostrato che a pressione atmosferica, l’acqua presenta una sola fase, ma hanno successivamente scoperto che quando la temperatura si abbassa e la pressione aumenta, esistono due fasi. Ciò che li interessava particolarmente era la possibile esistenza di un punto critico che segnasse il limite tra queste due regioni.
«In questo punto critico, l’acqua si trova tra una regione a una fase e una regione a due, e si comporta come se non riuscisse a decidere quale dei due liquidi essere: un liquido ad alta densità o un liquido a bassa densità. E così cambia costantemente forma tra i due», aggiunge Nilsson.
Laser a raggi X superveloci
La sfida nel caratterizzare questa transizione da liquido a liquido è che quando l’acqua è in uno stato di sopraffusione nell’intervallo da -35 a -70 °C, il ghiaccio si forma così rapidamente che gli strumenti sperimentali standard non sono abbastanza veloci da cogliere le fluttuazioni lungo il margine del ghiaccio. Per compensare, il team ha alterato la pressione da alta a bassa più velocemente rispetto al processo di congelamento e ciò gli ha consentito di assistere alla transizione da liquido a liquido guidata dalla pressione.
Per registrare il fenomeno, il team ha utilizzato un laser a raggi X ultraveloce presso il Pohang Accelerator Laboratory in Corea del Sud, in grado di fornire impulsi a raggi X a campioni a intervalli che misurano quadrilionesimi di secondo.
«Sebbene i raggi X viaggino alla velocità della luce, se particolarmente intensa la radiazione elettromagnetica può distruggere i campioni prima che venga effettuata una qualsiasi registrazione. Il fascio del nostro laser a raggi X è così veloce da catturare il segnale desiderato prima che il campione si rompa», spiega Nilsson.
Le misurazioni ottenute dagli esperimenti hanno portato alla creazione di un grafico che delinea la relazione tra temperatura e pressione e include una linea, nota come linea di Widom, che traccia la zona liminale in cui l’acqua passa dal comportarsi come un liquido a come due.
«Sospetto che il punto critico non si trovi a pressioni di fino a 2 000 bar come ritenuto in precedenza, ma in realtà intorno a 300-500 bar», afferma Nilsson. «Questo potrebbe contribuire a spiegare fenomeni planetari quali l’evoluzione della vita marina. L’acqua sul fondo dell’oceano è in genere intorno ai 4 °C alla sua massima densità, grazie al punto critico. Se si raffredda, diventa meno densa e quindi si alza, provocando una circolazione che trasferisce calore e sostanze nutritive cruciali per la vita.»
Nessuna vita senza acqua
Sebbene si tratti di un progetto inerente alla scienza fondamentale, i risultati di WATER potrebbero avere una serie di implicazioni pratiche. Come osserva Nilsson: «Abbiamo iniziato concentrandoci sull’acqua in generale, ma ora desideriamo comprendere come questo liquido cambi nei pori, nelle interfacce e nelle biomolecole, il che è utile per una vasta gamma di settori e applicazioni.»
Poiché l’aumento delle temperature globali condurrà probabilmente a maggiori periodi di siccità in tutta l’Europa meridionale, una migliore comprensione del comportamento dell’acqua all’interno dei pori delle membrane di filtrazione di desalinizzazione potrebbe contribuire ad aumentare la disponibilità di acqua potabile.
Inoltre, molte tecnologie energetiche quali le celle a combustibile, la scissione dell’acqua che genera idrogeno e la fotosintesi artificiale hanno luogo in interfacce acqua-solido, dove l’influenza delle fluttuazioni dell’acqua rimane sconosciuta.
Una frontiera sanitaria ancora da esplorare potrebbe consistere nella migliore comprensione del ruolo svolto dall’acqua all’interno delle cellule, in cui potrebbe rivelarsi parte integrante dei processi vitali. «Le nostre intuizioni potrebbero fornire informazioni alle indagini sul modo in cui i comportamenti fluttuanti dell’acqua potrebbero consentire la comunicazione tra biomolecole. Se questo sia il caso, al momento non lo sappiamo», conclude Nilsson.
Il team sta ora lavorando per superare i ritardi indotti dalla COVID per osservare direttamente il punto critico stesso.