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

C’è il ghiaccio, c’è il vapore e c’è l’acqua liquida. Ma non basta. Già, perché non esiste un solo stato liquido per l’acqua: la comunità scientifica ne ha contati almeno due, ed è appena riuscita a osservare in diretta la transizione tra i due diversi tipi (o, più correttamente, fasi) di acqua allo stato liquido. Responsabili della scoperta, descritta sulle pagine di Science, i ricercatori della Stockholm University e di diversi altri istituti di ricerca.

Per capire il senso della scoperta bisogna partire dal ghiaccio, che in natura esiste in due forme diverse: una struttura cristallina, in cui le molecole sono “ordinate” secondo una precisa disposizione geometrica, e una cosiddetta amorfa, la più abbondante in natura, priva di un ordinamento preciso. E ancora, come se non fosse abbastanza complicato, bisogna tener conto che anche il ghiaccio amorfo può esistere in due forme diverse, ad alta e bassa densità.

L’acqua ai raggi X

Il fatto che l’acqua liquida possa esistere in due fasi diverse è una novità recente: a scoprirlo sono stati, nel 2017, gli stessi autori della ricerca appena pubblicata su Science: servendosi dei raggi X, i fisici dell’ateneo scandinavo erano riusciti a mostrare che le molecole di H₂0 liquida possono avere proprietà differenti a basse temperature, quando la cristallizzazione in ghiaccio è abbastanza lenta.

Avevano quindi scoperto una un’analogia tra l’acqua liquida e il ghiaccio amorfo: anche la prima, così come il secondo, esiste (o addirittura coesiste) in due fasi diverse, a bassa e alta densità. Più tecnicamente, i fisici parlano di “liquido viscoso” e “liquido ultra-viscoso”, dalla densità molto più bassa. “È come se l’acqua non riuscisse a ‘decidere’ in quale fase stare – ad alta o a bassa densità – e continuasse a oscillare, microscopicamente, cioè a livello atomico, tra le due”, avevano spiegato gli autori della ricerca. “L’acqua non è un solo liquido, ma due liquidi diversi che hanno una relazione complicata tra loro”, avevano concluso.

La transizione in diretta

Ora con il nuovo studio i ricercatori sono riusciti a osservare in diretta il passaggio dell’acqua da una fase all’altra. Non è stato semplice: le due fasi, infatti, si manifestano a una temperatura di circa -63° C, alla quale, in condizioni normali, l’acqua si solidifica immediatamente. I ricercatori hanno dovuto quindi operare abilmente su due fronti: agendo sulla pressione esterna per evitare la solidificazione dell’acqua e, contemporaneamente, “bombardandola” con un fascio laser a raggi X per studiarne le proprietà.

“L’aspetto speciale della nostra ricerca”, racconta con orgoglio Anders Nilsson, professore di chimica fisica alla Stockholm University, “sta nel fatto che siamo riusciti a esaminare l’acqua con i raggi X in un tempo brevissimo, prima che ghiacciasse, riuscendo così a osservare le due fasi e la transizione. Per decenni ci sono state speculazioni, ipotesi e teorie per cercare di spiegare questa proprietà così anomala, e perché si manifestasse a temperature così basse. Ora abbiamo la certezza che i due stati liquidi sono reali e cominciamo a sapere qualcosa di più sulla ‘stranezza’ dell’acqua”.

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Riferimenti: Science