Un team internazionale di scienziati guidato dalla professoressa Martina Havenith della Ruhr-Universität Bochum (RUB) è stato in grado di gettare nuova luce sulle proprietà dell'acqua a livello molecolare. In particolare, sono stati in grado di descrivere accuratamente le interazioni tra tre molecole d'acqua, che contribuiscono in modo significativo al panorama energetico dell'acqua. La ricerca potrebbe aprire la strada a una migliore comprensione e previsione del comportamento dell'acqua in condizioni diverse, anche sotto quelli estremi. I risultati sono stati pubblicati online sulla rivista Angewandte Chemie il 19 aprile 2020.

Interazioni tramite vibrazioni

Nonostante l'acqua a prima vista sembri un semplice liquido, ha molte proprietà insolite, uno di questi è che è meno denso quando è congelato rispetto a quando è liquido. Nel modo più semplice i liquidi sono descritti dall'interazione dei loro partner diretti, che sono per lo più sufficienti per una buona descrizione, ma non nel caso dell'acqua:le interazioni nei dimeri d'acqua rappresentano il 75% dell'energia che tiene insieme l'acqua. Martina Havenith, capo della cattedra di chimica fisica II con sede a Bochum e portavoce del cluster di eccellenza Ruhr Explores Solvation (Resolv), e i suoi colleghi della Emory University di Atlanta, NOI, ha recentemente pubblicato un'accurata descrizione delle interazioni relative al dimero dell'acqua. Per accedere alle interazioni cooperative, che costituiscono il 25% dell'interazione totale dell'acqua, il trimero dell'acqua doveva essere studiato.

Ora, il team guidato da Martina Havenith in collaborazione con i colleghi della Emory University e dell'Università del Mississipi, NOI, ha potuto descrivere per la prima volta in modo accurato l'energia di interazione tra tre molecole d'acqua. Hanno testato le moderne descrizioni teoriche rispetto al risultato dell'impronta digitale spettroscopica di queste interazioni intermolecolari.

Ostacoli alla ricerca sperimentale

Da oltre 40 anni, gli scienziati hanno sviluppato modelli computazionali e simulazioni per descrivere le energie coinvolte nel trimero dell'acqua. Gli esperimenti hanno avuto meno successo, nonostante alcune intuizioni pionieristiche negli studi in fase gassosa, e si affidano alla spettroscopia. La tecnica funziona irradiando un campione d'acqua con radiazioni e registrando quanta luce è stata assorbita. Il pattern ottenuto è correlato al diverso tipo di eccitazione dei moti intermolecolari che coinvolgono più di una molecola d'acqua. Sfortunatamente, per ottenere queste impronte spettroscopiche per dimeri e trimeri d'acqua, bisogna irradiare nella regione di frequenza terahertz. E le sorgenti laser che forniscono alta potenza sono mancate per quella regione di frequenza.

Questa lacuna tecnica è stata colmata solo di recente. Nella pubblicazione attuale, gli scienziati del RUB hanno utilizzato i laser a elettroni liberi presso la Radboud University di Nijmegen nei Paesi Bassi, che consente alte potenze nella regione di frequenza terahertz. Il laser è stato applicato attraverso minuscole goccioline di elio superfluido, che viene raffreddato a temperature estremamente basse, a meno 272, 75 gradi Celsius. Queste goccioline possono raccogliere le molecole d'acqua una per una, permettendo di isolare piccoli aggregati di dimeri e trimeri. In questo modo gli scienziati sono stati in grado di irradiare esattamente le molecole che volevano e di acquisire il primo spettro completo del trimero dell'acqua nella regione della frequenza dei terahertz.

Le osservazioni sperimentali delle vibrazioni intermolecolari sono state confrontate e interpretate utilizzando calcoli quantistici di alto livello. In questo modo gli scienziati hanno potuto analizzare lo spettro e assegnare fino a sei diverse vibrazioni intermolecolari.