Nel classico di fantascienza di Kurt Vonnegut Culla del gatto , il ghiaccio nove è una sostanza in grado di aumentare il punto di fusione dell'acqua da 32 a 114,4 gradi Fahrenheit. Una volta a contatto con l'acqua, si diffonde istantaneamente e indefinitamente, lasciando oceani ghiacciati e conseguenze agghiaccianti nella sua scia. Per fortuna, come spiega Vonnegut nell'epigrafe, "Niente in questo libro è vero." Quando scrisse il romanzo nel 1963, forse aveva ragione.

I ricercatori dell'Università di Pittsburgh hanno scoperto il fantastico comportamento di un polimero liquido in grado di congelare l'acqua a temperatura ambiente. Oltre a dare credito all'immaginazione profetica di Vonnegut, la miscela risultante apparentemente sfida la seconda legge della termodinamica, che afferma che all'interno di un sistema isolato, l'entropia aumenta sempre.

"Quando mescoli insieme due componenti puri, l'entropia (o il grado di disordine), aumenta sempre, " spiega John Keith, assistente professore di ingegneria chimica e membro della facoltà di Richard King Mellon in energia presso la Swanson School of Engineering di Pitt. "Quel disturbo fa sì che quasi sempre le miscele abbiano un inferiore punto di congelamento di uno dei componenti singolarmente, non superiore".

La miscela di sale e acqua, Per esempio, si congela a temperature inferiori rispetto al sale o all'acqua singolarmente. Questa qualità rende il sale adatto per sciogliere il ghiaccio su strade e marciapiedi in inverno. Però, quando un particolare polimero, noto come poliossaciclobutano (POCB), viene miscelato con acqua, aumenta il punto di congelamento della miscela da 32 gradi Fahrenheit a circa 100 gradi Fahrenheit. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati nella rivista American Chemical Society (ACS) macromolecole .

Questo comportamento non è del tutto inedito. La miscelazione di determinati metalli in proporzioni specifiche può creare leghe con punti di fusione più elevati rispetto ai singoli metalli. Poiché le leghe sono composte da almeno due atomi di dimensioni diverse, combinazioni favorevoli di atomi possono intrecciarsi per formare forti legami chimici che contrastano la seconda legge della termodinamica.

"Questo comportamento, in cui la miscela fonde più dei suoi componenti, è ben noto nei metalli. Ma è molto insolito, tra i non metalli, "dice Sachin Velankar, professore associato di ingegneria chimica a Pitt ed esperto in scienza dei polimeri. "Al meglio delle mie conoscenze, Il POCB sembra essere l'unica sostanza a mostrare questo comportamento con l'acqua".

POCB è arrivato originariamente all'università dal produttore chimico DuPont come parte di una collaborazione di ricerca tra l'azienda e Robert Enick, vicepresidente della ricerca per il dipartimento di ingegneria chimica. Uno studente laureato che lavorava nel laboratorio del dottor Enick ha notato che il polimero liquido diventava torbido se mescolato con gocce d'acqua, ma più curiosamente, la combinazione risultante, o "idrato", era una pasta morbida (simile al burro di arachidi) quando veniva aggiunta una quantità precisa di acqua. Ancora più stranamente, esperimenti sul materiale hanno mostrato che si stavano formando cristalliti ben ordinati tra due liquidi.

Il Dr. Keith e colleghi hanno utilizzato la modellazione al computer per trovare una struttura stabile di idrati in cui le molecole d'acqua si infilano nel polimero per formare legami idrogeno che tengono insieme il materiale come minuscole cerniere. "Ci vuole meno di un'ora perché la miscela si autoassembla a temperatura ambiente, e la consistenza finale è come un balsamo per le labbra, " dice il dottor Keith.

I ricercatori di Pitt hanno perlustrato riviste accademiche per trovare riferimenti scientifici agli idrati di POCB, che è stato prodotto da DuPont alla fine degli anni 2000 con il nome "Cerenol" perché ottenuto dal mais (un cereale). All'inizio la loro ricerca fu breve, ma una conversazione con Eric Beckman, Distinguished Service Professor di ingegneria chimica e condirettore del Pitt's Mascaro Center for Sustainable Innovation, li ha informati su altri nomi che il polimero avrebbe potuto essere chiamato in passato. Poco dopo, i ricercatori di Pitt hanno scoperto che la struttura dell'idrato era già stata scoperta da un team di ricercatori giapponesi alla fine degli anni '60.

"Il polimero ha quattro o cinque nomi, e alcuni non sono intuitivi, " dice il dottor Velankar. "Dopo aver trovato gli studi precedenti, ci siamo resi conto di aver scoperto un aspetto entusiasmante di una vecchia scoperta".

La squadra giapponese, utilizzando tecniche a raggi X simili a quelle interpretate da Watson e Crick per identificare la doppia elica nel DNA, aveva trovato strutture di idrati simili fondendo forme ad alto peso molecolare del polimero che erano solide a temperatura ambiente. Quello studio, che è apparso anche in Macromolecole ACS nel 1970, è passato relativamente inosservato nei cinque decenni successivi alla sua pubblicazione. L'innovazione dei ricercatori di Pitt è che idrati simili possono formarsi spontaneamente con forme di polimero a peso molecolare inferiore che sono liquide a temperatura ambiente, eliminando così la necessità di fondere prima della miscelazione con acqua.

"Il polimero può anche aspirare dolcemente l'umidità dall'aria in modo naturale, " dice il dottor Velankar. "Abbiamo ritenuto che questo comportamento fosse una curiosità, ma molto interessante. La nostra ricerca è stata principalmente un'esplorazione fondamentale di un fenomeno molto insolito, ma ci sono molte potenziali applicazioni da considerare."

I ricercatori di Pitt Engineering hanno già collaborato con Alexander Star del Dipartimento di Chimica di Pitt per rivestire un elettrodo di nanotubi con il polimero per trasformarlo in un dispositivo di memoria del computer. Il giornale ACS Chimica dei materiali pubblicato i risultati dello studio.

Una delle potenziali applicazioni non sarà certamente un dispositivo apocalittico come l'ice-nine di Vonnegut perché il POCB non può diffondersi istantaneamente o indefinitamente attraverso le fonti d'acqua. Invece di scatenare l'apocalisse, i ricercatori dell'Università di Pittsburgh pensano che la scoperta del comportamento di congelamento di questo polimero potrebbe annunciare nuove innovazioni.

"Ora che conosciamo un esempio di una miscela polimero-acqua con queste qualità, possiamo ora cercare altre miscele che potrebbero avere altre proprietà interessanti, " afferma il Dr. Keith. "Sono molto ottimista sul fatto che questa sia una nuova entusiasmante classe di materiali cristallini che si formano spontaneamente da miscele di liquidi".