È una tradizione popolare gettare monetine nelle fontane nella speranza di veder esauditi i desideri. Ma cosa accadrebbe se invece potessi "lanciare" elettroni nell'acqua? Questo è, cosa succede poco dopo che un elettrone è stato iniettato nell'acqua?

Questa domanda vecchia di decenni ora ha una risposta, grazie ad un articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura il 16 gennaio. Lo studio è il risultato della collaborazione tra ricercatori dell'Università di Chicago, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne e Lawrence Livermore National Laboratories, e l'Università della California-San Diego.

Fino ad ora, gli scienziati hanno dovuto affrontare sfide tecniche quando volevano misurare sperimentalmente l'affinità elettronica dell'acqua, ha detto la professoressa Giulia Galli, Liew Family Professor presso l'Institute for Molecular Engineering dell'Università di Chicago e senior scientist all'Argonne.

"La maggior parte dei risultati citati in letteratura come numeri sperimentali sono in realtà valori ottenuti combinando alcune quantità misurate con stime teoriche grezze, " lei disse.

Misure teoriche accurate, d'altra parte, sono da tempo irraggiungibili a causa della difficoltà e dell'alto costo computazionale di simulare direttamente le interazioni, ha affermato Francesco Paesani, professore della University of California-San Diego, un coautore dello studio che ha trascorso anni a sviluppare un potenziale accurato per la modellazione dell'acqua liquida.

Il potenziale di interazione tra le molecole d'acqua sviluppato da Paesani è stato utilizzato per modellare la struttura sia dell'acqua liquida che della superficie dell'acqua. Una volta ottenuta la struttura, metodi teorici e software altamente accurati per studiare gli stati eccitati della materia, sviluppato dal team di Galli, servivano per capire cosa succede quando un elettrone viene iniettato nell'acqua.

Fondamentalmente, i ricercatori hanno cercato di capire se l'elettrone risiede nel liquido e partecipa eventualmente a reazioni chimiche. La domanda centrale era, "Il liquido si lega subito all'elettrone?"

I ricercatori hanno scoperto che l'elettrone si lega con l'acqua; però, la sua energia di legame è molto più piccola di quanto si pensasse in precedenza. Ciò ha spinto i ricercatori a rivisitare una serie di dati e modelli ben accettati per l'affinità elettronica dell'acqua.

Galli e i suoi collaboratori hanno sviluppato nel corso degli anni i metodi per gli stati eccitati utilizzati in questo studio, in collaborazione con T.A. Pham, di Lawrence Livermore, e Marco Govoni, di Argonne, entrambi sono co-autori di questo studio.

"Utilizzando il software sviluppato per studiare i fenomeni di stato eccitato in sistemi realistici (denominati Without Empty STates, o WEST) e l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), siamo finalmente riusciti a generare dati per campioni sia sufficientemente grandi che su scale temporali sufficientemente lunghe per studiare l'affinità elettronica dell'acqua liquida, " ha detto Govoni.

"Abbiamo trovato grandi differenze tra l'affinità in superficie e nel liquido sfuso. Abbiamo anche trovato valori diversi da quelli accettati in letteratura, che ci ha spinto a rivisitare il diagramma energetico completo di un elettrone nell'acqua, "Ha aggiunto Pham.

Questa scoperta ha importanti conseguenze, sia per gli scienziati che cercano di comprendere a fondo le proprietà dell'acqua sia per coloro che vogliono descrivere le reazioni di riduzione/ossidazione in soluzioni acquose, che sono molto diffusi in chimica e biologia.

In particolare, gli scienziati usano spesso le informazioni sui livelli energetici dell'acqua quando esaminano i materiali per le cellule fotoelettrochimiche. Una stima affidabile dell'affinità elettronica dell'acqua (che i ricercatori dello studio hanno fornito sia per l'acqua sfusa che per la sua superficie) aiuterà gli scienziati a stabilire protocolli di calcolo più robusti e più affidabili, e migliorare lo screening computazionale dei materiali.