I ricercatori dell'Università di Tokyo hanno utilizzato metodi computazionali e analisi di dati sperimentali recenti per dimostrare che le molecole d'acqua assumono due strutture distinte allo stato liquido. Il team ha studiato la dispersione dei fotoni dei raggi X attraverso campioni d'acqua e ha mostrato una distribuzione bimodale nascosta sotto il primo picco di diffrazione risultante da disposizioni tetraedriche e non tetraedriche delle molecole d'acqua. Questo lavoro può avere importanti implicazioni in tutta la scienza, ma soprattutto per quanto riguarda i sistemi viventi, come proteine ​​e strutture cellulari, che sono fortemente influenzati dalle molecole d'acqua che li circondano.

Data l'ubiquità dell'acqua sul nostro pianeta e il ruolo centrale che svolge in tutta la vita conosciuta, può essere difficile credere che ci sia ancora qualcosa da imparare su questo fluido così familiare. Una semplice molecola composta da soli due atomi di idrogeno e uno di ossigeno; l'acqua nasconde ancora misteri fondamentali che restano da svelare. Per esempio, l'acqua ha punti di fusione e di ebollizione insolitamente alti, e si espande anche quando gela (a differenza della maggior parte dei liquidi, quale contratto). Queste e altre proprietà insolite lo rendono molto diverso da quasi tutti gli altri liquidi, ma anche permettere alla vita come la conosciamo di esistere.

La stranezza dell'acqua può essere meglio compresa pensando alle interazioni davvero uniche tra H ₂ Molecole di O:il legame idrogeno. L'acqua tende a formare quattro legami idrogeno con i suoi quattro vicini, che porta a disposizioni tetraedriche dei vicini. Tali disposizioni possono essere ampiamente distorte in caso di fluttuazioni termiche. Però, se la distorsione porti alla coesistenza di disposizioni tetraedriche e non tetraedriche distinte è rimasto controverso.

Ora, gli scienziati dell'Università di Tokyo hanno combinato simulazioni al computer e analisi dei dati sperimentali di dispersione per trovare il "fattore di struttura" dell'acqua, la funzione matematica che rappresenta i percorsi dei raggi X dispersi quando disperdono gli atomi di idrogeno e ossigeno. L'analisi ha mostrato due picchi sovrapposti nascosti nel primo picco di diffrazione del fattore di struttura. Uno di questi picchi corrispondeva alla distanza tra gli atomi di ossigeno come nei liquidi ordinari, mentre l'altro indicava una distanza maggiore, come in una disposizione tetraedrica. "La combinazione di nuovi metodi computazionali e l'analisi dei recenti dati di diffusione dei raggi X ci ha permesso di vedere ciò che non era visibile nel lavoro precedente, " spiega il primo autore dello studio Rui Shi.

Questa scoperta potrebbe avere enormi implicazioni in molti campi scientifici. Conoscere l'esatto ordinamento strutturale dell'acqua è fondamentale per una comprensione completa della biologia molecolare, chimica, e anche molte applicazioni industriali. "È molto soddisfacente riuscire a svelare la struttura liquida di una sostanza così fondamentale, ", afferma l'autore senior Hajime Tanaka.