La natura quantistica dell’acqua, vista grazie al laser

Tanto familiare quanto misteriosa. L’acqua, essenziale per la vita, cela ancora molti segreti. E scoprirli potrebbe aiutarci a capire meglio le sue eccezionali proprietà, come la sua grande tensione superficiale che permette a alcuni insetti di zampettarci sopra o di avere una densità inferiore allo stato solido. Un passo avanti verso la comprensione della natura e delle proprietà dell’acqua arriva dallo studio degli scienziati dello Slac National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia dell’Università di Stanford e dell’Università di Stoccolma, che per la prima volta sono riusciti a vedere in modo diretto gli “strattoni” e gli “spintoni” quantistici tra le molecole eccitate dalla luce laser.

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L’ultima stranezza dell’acqua: può coesistere in due fasi

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La chimica dell’acqua

Una molecola d’acqua (H₂O) è costituita da due atomi di idrogeno (H) e un atomo di ossigeno (O). Gli atomi di idrogeno condividono con l’ossigeno i loro elettroni (1 a testa), che “passano molto più tempo” con lui che con i “legittimi proprietari”. Per questo, semplificando, possiamo dire che nella molecola d’acqua si creano due poli, uno leggermente positivo con gli atomi di idrogeno e uno negativo con l’atomo di ossigeno.

La polarità delle molecole d’acqua fa sì che tra loro si crei una sorta di rete, tenuta insieme da forze chiamate legami a idrogeno. In pratica gli idrogeni “positivi” di una molecola d’acqua interagiscono con l’ossigeno “negativo” delle altre molecole vicine.

Vedere i legami idrogeno

Le interazioni tra le molecole d’acqua sono presenti nei libri di testo da decenni, eppure è davvero da poco tempo che gli scienziati sono riusciti a visualizzare un legame a idrogeno. E solo ora, per la prima volta dunque, sono stati in grado di osservare in modo diretto il comportamento quantistico degli atomi di idrogeno delle molecole d’acqua.

L’impresa è stata realizzata lanciando brevi impulsi di un potente fascio di elettroni verso sottilissimi getti d’acqua (del calibro di 100 nanometri, cioè mille volte più piccoli del diametro di un capello umano) e grazie a una sorta di fotocamera elettronica ad alta velocità (MeV-Ued) gli scienziati hanno scattato istantanee dei movimenti molecolari. Messe insieme, queste immagini hanno creato una specie di film in slow motion della risposta della rete d’acqua all’impulso energetico.

“Questo studio è il primo a dimostrare direttamente che la risposta della rete di legami idrogeno a un impulso di energia dipende in modo critico dalla natura quantomeccanica di come sono distanziati gli atomi di idrogeno, che è stato a lungo suggerito come il responsabile degli attributi unici dell’acqua e della sua rete di legami a idrogeno”, ha commentato Kelly Gaffney che ha collaborato allo studio pubblicato su Nature.

Strattoni e spinte

Quello che succede è che le molecole d’acqua eccitate iniziano a vibrare: gli atomi di idrogeno di una attirano gli atomi di ossigeno delle altre vicine per poi, sotto impulso energetico, spingerli via aumentando lo spazio tra le molecole. “Per molto tempo, i ricercatori hanno cercato di comprendere la rete dei legami idrogeno utilizzando tecniche di spettroscopia”, ha affermato Jie Yang, che ha guidato lo studio: “La bellezza di questo esperimento è che per la prima volta siamo stati in grado di osservare direttamente come si muovono queste molecole“.

“Questo ha davvero aperto una nuova finestra sullo studio dell’acqua“, ha concluso Xijie Wang, anch’egli coinvolto nella ricerca: “Ora che possiamo finalmente vedere i legami idrogeno in movimento, vorremmo collegare quei movimenti con un quadro più ampio, che potrebbe far luce su come l’acqua ha portato all’origine e alla sopravvivenza della vita sulla Terra e ricavare conoscenze per lo sviluppo di metodi di energia rinnovabile”.

Via: Wired.it

Credits immagine di copertina: Izzy Gibson on Unsplash