Il feldspato è un minerale onnipresente e costituisce circa la metà della crosta terrestre. Nell'atmosfera terrestre i feldspati svolgono un ruolo sorprendentemente importante. La polvere fine trasportata dall'aria influenza la formazione delle nuvole. Le molecole d'acqua aderiscono meglio alla polvere di feldspato che ad altre particelle. Minuscoli granelli di feldspato, galleggianti nell'atmosfera, diventano così ottimi semi di nucleazione, dove le molecole d'acqua si attaccano e si congelano, formando infine una nuvola.
Non è chiaro il motivo per cui il feldspato abbia questa straordinaria capacità di legare l’acqua in modo efficiente e consentire la formazione di nuvole. Utilizzando un microscopio a forza atomica altamente sensibile, i ricercatori della TU Wien hanno dimostrato che la geometria unica della superficie del feldspato fornisce il punto di ancoraggio perfetto per i gruppi OH dell'idrogeno e dell'ossigeno e, successivamente, per l'acqua.
Lo studio è pubblicato su The Journal of Physical Chemistry Letters .
"I ricercatori stavano valutando diverse idee sul perché il feldspato sia un seme di nucleazione così efficace", afferma la prof.ssa Ulrike Diebold dell'Istituto di fisica applicata della TU Vienna, che ha guidato il progetto. "Potrebbe essere dovuto agli atomi di potassio contenuti nel feldspato, o forse ad alcuni difetti nella sua struttura cristallina."
Per scoprirlo, i ricercatori della TU hanno utilizzato un sensibile microscopio a forza atomica. In questo microscopio, la superficie del cristallo viene scansionata punto per punto con una punta sottile. La forza tra la punta e la superficie produce un'immagine ad alta risoluzione, in cui la posizione di ciascun atomo può essere determinata con precisione.
"Abbiamo posizionato un pezzo di feldspato nella camera a vuoto del microscopio e lo abbiamo diviso a metà per ottenere una superficie incontaminata e pulita", afferma Giada Franceschi, la prima autrice dello studio. "Siamo rimasti perplessi dai risultati:le immagini della superficie sembravano diverse da quanto previsto dalle teorie comuni."
La causa fu presto trovata:i colpevoli erano minuscole inclusioni d'acqua nella roccia. Quando la pietra si rompe, viene rilasciato un po' di vapore acqueo. Questo vapore si attacca alla superficie appena spaccata e le molecole d'acqua si disgregano formando gruppi idrossilici (OH). "Al microscopio non si vede la superficie del feldspato vero e proprio, ma una superficie ricoperta di gruppi idrossilici", spiega Giada Franceschi. "In natura anche la superficie del feldspato è ricoperta da uno strato di ossidrile."
A causa della geometria del cristallo di feldspato, questi gruppi idrossilici sono posizionati in modo tale da renderli punti di ancoraggio ideali per le molecole d'acqua. Le molecole d'acqua possono agganciarsi ai gruppi idrossilici come elementi costitutivi che si incastrano perfettamente. Pertanto, lo strato idrossilico forma la connessione perfetta tra il feldspato e l'acqua che si attacca sotto forma di ghiaccio. "Il legame si stabilisce in modo molto semplice e veloce ed è anche molto stabile", afferma Ulrike Diebold. "Per rimuovere lo strato di idrossile dal feldspato, bisognerebbe riscaldarlo ad alta temperatura." Anche le simulazioni al computer supportano questa scoperta.
I risultati forniscono informazioni sul motivo per cui specifici cristalli nella nostra atmosfera sono particolarmente adatti come semi di nucleazione per la formazione di nuvole. Soprattutto di fronte al cambiamento climatico, è importante comprendere meglio la fisica della formazione delle nuvole. E a volte, come dimostra il progetto di ricerca della TU Wien, bisogna scavare in profondità nel mondo degli atomi.
Ulteriori informazioni: Giada Franceschi et al, Come l'acqua si lega al feldspato del microclino (001), The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03235
Informazioni sul giornale: Giornale di lettere di chimica fisica
Fornito dall'Università della Tecnologia di Vienna
