L’acqua, così normale ed essenziale per la vita, ha un comportamento che gli scienziati definiscono alquanto bizzarro. Per esempio, perché il ghiaccio è meno denso dell’acqua allo stato liquido, fluttuando invece di affondare, come fanno gli altri liquidi quando raggiungono lo stato solido?
Un studio ci fornisce una forte evidenza per una teoria controversa, secondo la quale a temperature molto basse l’acqua può trovarsi in due forme liquide distinte, una delle quali è meno densa e più strutturata dell’altra.
Un gruppo di ricercatori della Princeton University e dell’Università La Sapienza di Roma hanno effettuato delle simulazioni al computer di molecole di acqua, per scoprire il punto critico in cui una fase liquida si trasforma in un’altra. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Science.
Studiare l’acqua
La presenza del punto critico fornisce una spiegazione molto semplice alle stranezze dell’acqua. Trovare questo punto critico equivale a trovare una spiegazione esauriente e semplice delle tante cause che rendono l’acqua una sostanza così strana, soprattutto alle basse temperature.
Una di queste stranezze riguarda il fatto che quando l’acqua si raffredda, essa si espande invece di contrarsi, il che spiega come mai l’acqua ghiacciata è meno densa dell’acqua allo stato liquido. A basse temperature l’acqua, inoltre, diventa più comprimibile. Vi sono almeno 17 modi nei quali le molecole di acqua ghiacciata possono aggregarsi.
Un punto critico rappresenta un unico valore di temperatura e pressione in corrispondenza del quale due fasi della materia risultano indistinguibili, e questo punto si raggiunge poco prima che la materia si trasformi da una fase all’altra.
Le stranezze dell’acqua sono facilmente spiegate dalla presenza di questo punto critico. Il punto critico comincia a influenzare le proprietà di una sostanza molto prima che esso si raggiunga. In corrispondenza del punto critico, la comprimibilità e le altre misure termodinamiche che riguardano il comportamento delle molecole, come per esempio la capacità termica, hanno valori infiniti.
Utilizzando due metodi computazionali diversi e due modelli computerizzati di acqua altamente realistici, il gruppo di ricerca ha determinato che il punto critico della fase liquido-liquido si trova in un range di temperatura tra 190 e 170 gradi Kelvin (corrispondenti a -83 / -103 gradi Celsius), a una pressione atmosferica di circa 2.000 volte quella del livello del mare.
Avere un dettaglio più preciso sul punto critico rappresenta un passo importante per quei ricercatori impegnati nel decennale problema dell’individuazione delle spiegazioni fisiche connesse alle proprietà dell’acqua. Diverse decine di anni addietro, i fisici avevano teorizzato che raffreddare l’acqua a temperature al di sotto del punto di congelamento, mantenendola allo stato liquido – uno stato superfreddo che si verifica nelle nuvole ad elevate altitudini – esporrebbe le due uniche forme liquide dell’acqua a pressioni sufficientemente elevate.
Questa teoria è stata testata attraverso simulazioni computerizzate. Gli esperimenti condotti con molecole di acqua ordinarie non hanno finora prodotto prove inconfutabili di un punto critico, in parte per la tendenza che ha l’acqua superfredda a trasformarsi rapidamente in ghiaccio.
Nel 1992, Francesco Sciortino, un professore di fisica dell’Università La Sapienza di Roma, effettuò uno dei primi studi di modellizzazione dell’acqua, i cui risultati furono i primi a suggerire l’esistenza di un punto critico tra le due forme di liquido.
Il nuovo studio ovviamente si avvale di computer per la ricerca molto più veloci e potenti, oltre che di modelli dell’acqua più recenti e accurati. E nonostante le capacità prestazionali dei computer dedicati alla ricerca, è stato impiegato un anno e mezzo per effettuare tutte le simulazioni.
Dopo 25 anni, quindi, la teoria avanzata da Sciortino trova la sua conferma.
Nel caso di due forme liquide di acqua, le due fasi coesistono in un caotico equilibrio a temperature al di sotto del congelamento e a pressioni sufficientemente elevate. Mentre la temperatura scende, le due fasi liquide si contrastano a vicenda finché una prevale sull’altra e il liquido assume la sua densità più bassa.
Nelle simulazioni effettuate a Roma da Sciortino e Zerze (un ricercatore di Princeton), mentre la temperatura veniva abbassata molto al di sotto del congelamento, nell’intervallo dello stato superfreddo, si osservava, secondo le previsioni, una fluttuazione violenta della densità dell’acqua.
È probabile che alcuni dei comportamenti anomali dell’acqua siano alla base delle proprietà vitali dell’acqua stessa. L’acqua rappresenta il fluido della vita, ma ancora non sappiamo perché l’acqua non possa essere sostituita da un altro liquido. La comunità scientifica è portata a pensare che la ragione stia proprio nel comportamento anomalo dell’acqua. Gli altri liquidi non manifestano quei comportamenti, per questo motivo l’acqua è il liquido della vita.
Le due fasi dell’acqua si verificano perché le molecole di acqua hanno una forma che può condurre a due diverse configurazioni di aggregazione. Nel liquido a densità più bassa, quattro molecole attorno a una quinta molecola centrale danno origine a una forma chiamata tetraedro. Nel liquido a densità più elevata, subentra una sesta molecola che si schiaccia dentro la struttura, determinando l’aumento della densità locale.
Il punto critico è stato rilevato utilizzando due modelli computerizzati di acqua differenti. Per ogni modello, i ricercatori hanno sottoposto le molecole di acqua a due differenti approcci computazionali, alla ricerca del punto critico. Entrambi gli approcci hanno portato alla scoperta del punto critico.
