Un team di ricerca internazionale ha acquisito nuove conoscenze sul modo in cui interagiscono le molecole d'acqua. Un laser con una luminosità particolarmente elevata, come è disponibile presso il laboratorio FELIX presso la Radboud University, era necessario per gli esperimenti. Le loro scoperte aiutano a comprendere meglio le strane proprietà dell'acqua e sono pubblicate in Angewandte Chemie .

Sebbene l'acqua sia onnipresente, l'interazione tra le singole molecole d'acqua non è ancora completamente compresa. Per la prima volta, i ricercatori sono stati in grado di osservare completamente tutti i movimenti tra le molecole d'acqua, note come vibrazioni intermolecolari. Un certo movimento delle singole molecole d'acqua l'una contro l'altra, chiamate rotazioni impedite, è particolarmente importante.

Interazioni sconosciute

L'acqua è il solvente più importante in chimica e biologia e possiede una serie di strane proprietà, ad esempio, raggiunge la sua massima densità a quattro gradi Celsius. Ciò è dovuto alle interazioni speciali tra le molecole d'acqua. "Descrivere queste interazioni ha rappresentato una sfida per la ricerca per decenni, " dice Martina Havenith della Ruhr-Universität Bochum.

Esperimenti a temperature estremamente basse

Il team ha studiato l'interazione più semplice concepibile, vale a dire tra esattamente due singole molecole d'acqua, utilizzando la spettroscopia terahertz. I ricercatori inviano brevi impulsi di radiazioni nell'intervallo dei terahertz attraverso il campione, che assorbe parte della radiazione. Il modello di assorbimento rivela informazioni sulle interazioni attrattive tra le molecole. Un laser con una luminosità particolarmente elevata, come è disponibile presso il laboratorio FELIX della Radboud University, era necessario per gli esperimenti.

I ricercatori hanno analizzato le molecole d'acqua a temperature estremamente basse. Per fare questo, hanno successivamente immagazzinato singole molecole d'acqua in una minuscola gocciolina di elio superfluido, che è freddo fino a 0,4 Kelvin (o -272,75 gradi Celsius). Le goccioline funzionano come un aspirapolvere che cattura le singole molecole d'acqua. A causa della bassa temperatura, si verifica un legame stabile tra due molecole d'acqua, che non sarebbe stabile a temperatura ambiente.

Questa configurazione sperimentale ha permesso al gruppo di registrare per la prima volta uno spettro delle rotazioni impedite di due molecole d'acqua. "Le molecole d'acqua si muovono costantemente, " spiega Martina Havenith. "Ruotano, aprire e chiudere." Tuttavia, una molecola d'acqua che ha una seconda molecola d'acqua nelle sue vicinanze non può ruotare liberamente, questo è il motivo per cui si parla di rotazione ostacolata.

Una mappa energetica multidimensionale

L'interazione delle molecole d'acqua può anche essere rappresentata sotto forma di ciò che è noto come potenziale idrico. "Questa è una sorta di mappa multidimensionale che rileva come l'energia delle molecole d'acqua cambia quando cambiano le distanze o gli angoli tra le molecole, " spiega Martina Havenith. Tutte le proprietà, come densità, conducibilità o temperatura di evaporazione, si può ricavare dal potenziale idrico. "Le nostre misurazioni ora consentono il miglior test possibile di tutte le potenzialità sviluppate fino ad oggi, "dice il ricercatore.