Gli scienziati dell'Università di Tokyo hanno studiato in dettaglio la struttura dell'acqua come liquido e hanno scoperto che le sue proprietà dipendono dal rapporto tra due stati di fase.
Tutti sanno che le proprietà dell'acqua sono diverse dalla maggior parte dei liquidi: si espande quando gela (quindi il ghiaccio è più leggero), quando si contrae, la sua viscosità diminuisce, e così via. Queste proprietà apparentemente anomale ci vengono spiegate a scuola dalla presenza di legami idrogeno tra le molecole. Tuttavia, i dettagli sono ancora poco conosciuti, sebbene l'argomento sia estremamente importante sia per la chimica che per la fisica. Le proprietà specifiche dell'acqua sono utilizzate anche in medicina e nelle discipline tecniche.
L'Istituto di scienze industriali dell'Università di Tokyo ha saputo progredire nella comprensione del fenomeno della struttura dell'acqua.
L'acqua allo stato liquido forma strutture tetraedriche di natura locale, che si formano con l'aiuto di legami idrogeno - questo è noto da molto tempo. Scienziati giapponesi hanno stabilito che l'acqua non è solo "acqua disordinata" in cui galleggiano "particelle" di "acqua tetraedrica": il sistema ha un diagramma di stato simile alle fasi solide.
È stato sviluppato un modello che considera l'acqua liquida come un sistema costituito da due fasi. Il primo è uno stato disordinato con elevata simmetria rotazionale. In poche parole, questa è l'assenza di qualsiasi schema definito nelle "direzioni" delle molecole in un liquido. La seconda fase non è solo tetraedrica ordinata, ma anche termodinamicamente in uno stato di non equilibrio. L'interazione di questi stati è descritta dal parametro lambda (λ), il cui significato fisico è una valutazione della forza relativa delle interazioni intermolecolari di coppia e tripla natura. Cioè, il solito, tra due molecole libere e tra le molecole che compongono la struttura tetraedrica. Di conseguenza, un aumento del parametro λ indica un aumento nell'ordinamento del sistema.
Questo modello sembra semplice, ma prevede bene il comportamento anormale dell'acqua come liquido.
Uno dei responsabili dello studio, John Russo, spiega: "… All'aumentare di λ, i gusci tetraedrici che si formano attorno a ciascuna molecola diventano energeticamente più stabili". Ciò compensa il consumo energetico per l'ordinazione dell'intera struttura. Gli scienziati, cambiando λ, hanno modellato diagrammi di fase, la cui struttura può essere abbastanza inaspettata. Quindi, la figura a sinistra mostra la struttura dell'acqua del tipo Si34 - si forma sotto pressione negativa. Inoltre, la sua struttura è clatrata, cioè di fatto è un composto di inclusione: alcune delle molecole d'acqua si trovano nelle cavità della struttura formata dalle sue altre molecole.
Immagine della struttura dell'acqua nello stato di fase Si34 (a sinistra) e il diagramma di fase nelle coordinate λ / pressione (a destra) / Institute of Industrial Science, The University of Tokyo.
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La dipendenza rivelata non è lineare, l'effetto massimo sulle proprietà dell'acqua si verifica a λ = 23,15.
Hajime Tanaka, uno dei leader del progetto, ha sottolineato l'importante ruolo della ricerca nella chimica fisica.
La relazione dei parametri macroscopici come la viscosità alle strutture microscopiche, prodotte utilizzando un modello relativamente semplice, è davvero un risultato importante. Da un punto di vista pratico, la comprensione della struttura dell'acqua dovrebbe aiutare lo sviluppo di filtri fini efficienti.
Anton Bugaychuk
