I ricercatori dell'Istituto di scienze industriali dell'Università di Tokyo hanno setacciato i dati sperimentali per sondare la possibilità che l'acqua superraffreddata abbia una transizione di fase da liquido a liquido tra forme disordinate e strutturate tetraedricamente. Hanno trovato prove di un punto critico basato sulla formazione cooperativa dei tetraedri, e mostrano il suo ruolo minore nelle anomalie dell'acqua. Questo lavoro mostra che le qualità speciali dell'acqua, che sono essenziali per la vita, derivano principalmente dalla caratteristica dei due stati.

L'acqua liquida è indispensabile per la vita come la conosciamo, tuttavia molte delle sue proprietà non sono conformi al modo in cui si comportano gli altri fluidi. Alcune di queste anomalie, come la densità massima dell'acqua a 4°C e la sua grande capacità termica, hanno importanti implicazioni per gli organismi viventi. L'origine di queste caratteristiche ha suscitato accesi dibattiti nella comunità scientifica sin dai tempi di Röntgen.

Ora, i ricercatori dell'Università di Tokyo hanno utilizzato un modello a due stati che postula la coesistenza dinamica di due tipi di strutture molecolari nell'acqua liquida. Queste sono la familiare struttura disordinata normale-liquida e una struttura tetraedrica localmente favorita. Come per molte altre transizioni di fase, potrebbe esserci un "punto critico" in cui la correlazione tra tetraedri assume una forma di legge di potenza, il che significa che non ci sarà più alcuna scala di lunghezza "tipica".

Utilizzando simulazioni al computer di molecole d'acqua, insieme ad un'analisi completa della struttura sperimentale, Termodinamico, e dati dinamici, compresa la diffusione dei raggi X, densità, comprimibilità, e misurazioni della viscosità:i ricercatori sono stati in grado di restringere il campo dove dovrebbe essere un punto critico, se esiste.

"Se la formazione di strutture tetraedriche in acqua liquida è cooperativa in queste condizioni, allora è possibile una transizione di fase liquido-liquido con un punto critico, ", afferma l'autore principale Rui Shi.

Il team ha dimostrato che ciò avviene intorno a una temperatura di -90°C e una pressione di circa 1, 700 atmosfere. Gli esperimenti in questo intervallo sono estremamente difficili:poiché l'acqua è molto al di sotto del suo normale congelamento, i cristalli di ghiaccio possono formarsi rapidamente. Però, i campioni possono rimanere liquidi in uno stato metastabile "sovraraffreddato" a queste pressioni molto elevate.

"Abbiamo visto prove che il punto critico è reale, ma il suo effetto è quasi trascurabile nella regione sperimentalmente accessibile dell'acqua liquida perché è troppo lontana dal punto critico. Ciò significa che le anomalie dell'acqua derivano dalla caratteristica dei due stati e non dalla criticità, " afferma l'autore senior Hajime Tanaka. Gli scienziati anticipano che questo progetto porterà alla convergenza del lungo dibattito sull'origine delle anomalie dell'acqua e più ricerche sperimentali per accedere al secondo punto critico dell'acqua.