Un team della TU Wien ora ha la prova dietro le speculazioni secondo cui le molecole d'acqua possono formare complesse strutture simili a ponti quando si accumulano su superfici minerali.

L'acqua è un liquido estremamente complesso. Il modo in cui le molecole d'acqua separate si accumulano su vari materiali ha un impatto cruciale su moltissimi processi, compresa la corrosione e gli agenti atmosferici, ed è fondamentale per garantire che i catalizzatori funzionino in modo ottimale. Un team con sede alla TU Wien è ora riuscito a svelare il mistero dietro la struttura delle molecole d'acqua sulle superfici di ossido di ferro, e il loro lavoro ha rivelato che le molecole d'acqua possono formare strutture complesse che ricordano i ponti, che svolgono un ruolo significativo quando si tratta di reazioni chimiche sulla superficie.

Le proprietà speciali dell'acqua

"Ciò che rende uniche le molecole d'acqua è che possono formare legami a ponte idrogeno, " spiega il Prof. Gareth Parkinson dell'Istituto di Fisica Applicata della TU Wien. "La distribuzione della carica elettrica non è uniforme. L'atomo di ossigeno è leggermente caricato negativamente, mentre gli atomi di idrogeno sono leggermente carichi positivamente." Di conseguenza, si possono formare legami tra molecole d'acqua – i famosi legami a ponte idrogeno – o anche tra una molecola d'acqua e altri tipi di molecole.

Le ripercussioni di questo sono di vasta portata. Per esempio, i ponti a idrogeno sono la ragione per cui l'acqua deve raggiungere l'alta temperatura di 100°C prima di bollire. Sono anche un fattore chiave nella struttura delle proteine.

Questi legami entrano in gioco anche più e più volte per affermazioni completamente non scientifiche, poiché le persone affermano che consentono di conservare misteriose "informazioni" nell'acqua. Questo è fisicamente impossibile perché i legami del ponte a idrogeno non sono affatto molto forti e si scompongono di nuovo in una frazione di secondo nell'acqua liquida. Tuttavia, puoi vedere risultati molto diversi quando le molecole d'acqua si accumulano sulle superfici, dove incredibilmente complesso, strutture stabili si formano a basse temperature.

I regni della possibilità

"C'erano già state indicazioni indirette della formazione di questo tipo di struttura, " dice Ulrike Diebold (TU Wien). "Ma per rendere realmente visibile la struttura dell'acqua sulle superfici di ossido di ferro, abbiamo dovuto ottimizzare ulteriormente le migliori tecniche di misurazione all'avanguardia e spingere davvero i confini di ciò che è possibile."

Iniziare con, un getto di molecole d'acqua viene fatto saltare sulla superficie nel vuoto a bassa temperatura. La superficie viene poi riscaldata dolcemente fino ad una temperatura di circa -30°C, provocando la progressiva disgregazione delle strutture idriche. Le molecole d'acqua si staccano una ad una dalla superficie e vengono raccolte da un rilevatore. "Possiamo misurare esattamente quante molecole d'acqua lasciano la superficie a una particolare temperatura. Possiamo quindi prendere queste informazioni per calcolare l'energia di legame, che a sua volta ci permette di identificare il tipo di strutture molecolari con cui abbiamo a che fare, " ha spiegato Gareth Parkinson.

Allo stesso tempo, uno speciale a prova di vibrazioni, microscopio ad alte prestazioni è stato utilizzato per produrre immagini ad alta risoluzione della superficie, in modo che le strutture dell'acqua potessero essere effettivamente viste. In aggiunta a questo, sono state sviluppate sofisticate simulazioni al computer per spiegare il posizionamento geometrico delle molecole d'acqua a livello quantistico. "Finalmente abbiamo a disposizione tre strumenti che ci permettono di studiare le strutture dell'acqua, ed è quello che serve se vuoi ottenere risultati affidabili, " dice Gareth Parkinson. "Tutte e tre le analisi combaciano perfettamente, lasciandoci concludere con grande fiducia che ora comprendiamo la formazione di strutture d'acqua sulle superfici di ossido di ferro."

L'evidenza mostra che si formano diverse strutture:è raro che una singola molecola d'acqua si trovi da sola sulla superficie, con molecole d'acqua che invece tendono a riunirsi a coppie oa gruppi di tre. Quindi hai strutture più complesse composte da sei o otto molecole, che attraversano la superficie dell'ossido di ferro come ponti curvi ellitticamente.

"Il nostro obiettivo principale era sviluppare i metodi analitici al punto da poter ottenere prove inconfutabili di queste strutture molecolari. Ed è quello che abbiamo fatto, " dice Ulrike Diebold. "Il metodo che abbiamo usato qui per l'ossido di ferro può essere applicato anche ad altri materiali".