L'acqua reagisce in modo molto insolito a temperature molto basse. Partiamo dal fatto che durante il raffreddamento, contrariamente alla logica, l'acqua non si contrae, ma si dilata (per questo il ghiaccio ha la proprietà di galleggiamento). L'acqua fredda è meno comprimibile dell'acqua calda. Inoltre, una volta congelate, le molecole d'acqua possono cambiare la loro posizione in ogni modo possibile.
Tutto ciò è difficile da trovare una spiegazione e le teorie esistenti provocano accese controversie nei circoli scientifici. Uno di questi è stato formulato quasi tre decenni fa ed era che l'acqua ghiacciata può esistere in due diverse forme liquide, una delle quali ha una struttura meno densa. In altre parole, ci sono due tipi di acqua, ognuno dei quali è un liquido separato. È difficile dimostrare questa teoria in un laboratorio, ma gli scienziati italiani sono riusciti a trovare prove per difenderla. Lo studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista Science.
Nel loro studio, gli scienziati Pablo Debenedetti e Gul H. Zerze dell'Università di Princeton e Francesco Shortico della Sapienza di Roma suggeriscono che il "secondo punto critico dell'acqua" si verifica a temperature che vanno da -83 a -100 gradi e a pressioni atmosferiche quasi 2000 volte superiori rispetto alla pressione sul livello del mare. Il punto critico è l'unico valore di temperatura e pressione in cui due fasi di una sostanza diventano indistinguibili, e questo accade appena prima che la sostanza passi da una fase all'altra. L'acqua, ad esempio, ha un punto critico ben noto nel passaggio da liquido a vapore.
"Immagina la nostra gioia quando abbiamo visto che le fluttuazioni critiche procedevano esattamente come ci aspettavamo, - spiega Sortino, - ora posso dormire serenamente, perché dopo 25 anni la mia idea ha finalmente trovato conferma".
Fino ad ora, gli esperimenti che utilizzavano vere molecole d'acqua per testare il secondo punto critico dell'acqua "supercooling" non potevano fornire una prova inequivocabile della sua esistenza. Ciò è in gran parte dovuto al fatto che l'acqua ghiacciata di solito si trasforma in ghiaccio, ha detto Debenedetti.
Per questo motivo, i ricercatori hanno deciso di ricorrere all'utilizzo di modelli informatici. Il processo è davvero laborioso: nonostante l'elevata potenza dei moderni supercomputer, gli scienziati hanno impiegato 18 mesi a fare i calcoli necessari per creare modelli.
Nelle simulazioni, quando la temperatura era ancora lontana dal punto di congelamento, la densità dell'acqua ha iniziato a fluttuare notevolmente. Di conseguenza, gli scienziati sono riusciti a trovare il punto critico, che stavano cercando in due diversi modelli computerizzati di acqua. Allo stesso tempo, per trovare il punto critico dell'acqua in entrambi i modelli, sono stati applicati diversi approcci computazionali.
Come per il passaggio dalla fase liquida alla fase gassosa, l'acqua ghiacciata può trasformarsi in due fasi differenti, a seconda di come le sue molecole vengono riorganizzate. Pertanto, in un liquido a bassa densità, quattro molecole sono raggruppate attorno a una molecola centrale per formare un tetraedro. Tuttavia, in un liquido con una densità maggiore, la sesta molecola entra in gioco, determinando un aumento della sua densità.
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Nel loro articolo, i ricercatori scrivono che "entro i limiti delle nostre capacità computazionali, è stata dimostrata l'esistenza di un punto critico metastabile nella fase di raffreddamento profondo delle molecole d'acqua".
Naturalmente, ora questa conclusione deve essere confermata da altri esperimenti, "utilizzando mezzi di calcolo più accurati e costosi".
