H2O in posa

Nelle goccioline di cui sono formate le nubi negli strati più alti dell’atmosfera, nei sistemi biologici crio-preservati e molto probabilmente sui pianeti e sulle comete nello spazio interstellare. In tutti questi casi è possibile trovare acqua sotto-raffreddata. Acqua cioè che nonostante la temperatura sia sotto lo zero non cristallizza, ma si mantiene liquida. E se si raffredda ulteriormente è possibile ottenere uno stato solido amorfo, una sorta di vetro d’acqua. Uno stato estremamente raro della materia che si ottiene solo in particolari condizioni: l’acqua deve essere pura oppure le dimensioni dell’aggregato molto piccole. Su cui è steso ancora un velo di mistero. Un po’ di luce sul comportamento di questo particolare stato della materia l’hanno fatta Renato Torre, Paolo Bartolini e Roberto Righini ricercatori dell’Istituto Nazionale di Fisica della Materia presso il Laboratorio Europeo di Spettroscopie non lineari di Firenze. I ricercatori italiani hanno infatti scattato una fotografia dell’acqua sotto-raffredata con un flash capace di cogliere i movimenti velocissimi che le molecole compiono passando da una struttura all’altra. “Mano mano che l’acqua si raffredda”, racconta Torre, “le molecole formano delle strutture che evolvono nel tempo. Noi abbiamo calcolato il cosiddetto tempo di scala, quanto tempo cioè dura una struttura prima di trasformarsi in quella successiva”. Le molecole si muovono a una velocità di 10 pico-secondi (10-12 secondi) mentre il laser utilizzato per scattare la fotografia emette il suo impulso in un tempo ancora più breve 10 femto-secondi (10-15 secondi) e riesce quindi a “fermare l’immagine” del movimento molecolare. “Così siamo riusciti a ricostruire il rilassamento delle strutture attraverso dei grafici di decadimento”, spiega il ricercatore.In pratica, “fotografando” a distanze così ravvicinate l’acqua sotto-raffreddata mediante opportune tecniche si è messa in evidenza in maniera chiara e inequivocabile che le sue dinamiche sono caratterizzate dalla presenza di numerose scale di tempo, a ognuna delle quali corrisponde un diverso comportamento. Questo implica la presenza di una molteplicità di strutture nel liquido. “Inoltre si è provato che a una temperatura critica di -43 C° l’acqua subisce un deciso mutamento nei suoi moti interni, senza per questo che il liquido modifichi in maniera significativa le sue strutture interne”, va avanti Torre. L’acqua presenta dunque un insieme di proprietà chimico-fisiche complesse e per molti aspetti incomprese. Non esiste per esempio un modello che descriva la successione e la stabilità delle fasi. Le misure effettuate a Firenze, e pubblicate su Nature, forniscono quindi informazioni che sono fondamentali per la nuova definizione della termodinamica e dinamica dell’acqua. “Si tratta di un lavoro di ricerca di base e quindi presenta senz’altro ricadute a breve nel settore scientifico”, spiega Torre. “Per esempio, è già uscito un’altro lavoro su Nature a firma di C.A. Angell, uno dei padri di questo settore, in cui si ridefinisce la temperatura di vetrificazione dell’acqua alzandola di circa 30 gradi grazie anche alle nostre osservazioni. Inoltre i modelli teorici e computazionali del poli-amorfismo dovranno senz’altro confrontarsi con i nostri dati di dinamica”. In futuro al Lens vogliono continuare lo studio della dinamica strutturale dell’acqua utilizzando le stesse tecniche di spettroscopia ma confinando l’acqua in uno spazio ristretto. In particolare all’interno di ‘spugne’ di silice, porous glass, che presentano delle microcavità di dimensione nanoscopiche, tipicamente tre nano-metri ( 10-9 metri). Gli effetti di confinamento consentono di portare la fase sotto-raffreddata in una regione termodinamica ancora inesplorata. In più questo tipo di studio è particolarmente significativo per le implicazioni biologiche: la maggior parte dell’acqua presente nei sistemi viventi, infatti, è legata e confinata in strutture biologiche di dimensione nanometrica.