Normalmente consideriamo l'acqua liquida come disordinata con le molecole che si riorganizzano su una scala temporale breve attorno a una struttura media. Ora, però, gli scienziati dell'Università di Stoccolma hanno scoperto due fasi del liquido con grandi differenze di struttura e densità. I risultati si basano su studi sperimentali che utilizzano raggi X, che ora sono pubblicati in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (NOI).

La maggior parte di noi sa che l'acqua è essenziale per la nostra esistenza sul pianeta Terra. È meno noto che l'acqua ha molte proprietà strane o anomale e si comporta in modo molto diverso da tutti gli altri liquidi. Alcuni esempi sono il punto di fusione, la densità, la capacità termica, e nel complesso ci sono più di 70 proprietà dell'acqua che differiscono dalla maggior parte dei liquidi. Queste proprietà anomale dell'acqua sono un prerequisito per la vita come la conosciamo.

"La nuova straordinaria proprietà è che scopriamo che l'acqua può esistere come due liquidi diversi a basse temperature dove la cristallizzazione del ghiaccio è lenta", dice Anders Nilsson, Professore di Fisica Chimica all'Università di Stoccolma. La svolta nella comprensione dell'acqua è stata possibile grazie a una combinazione di studi che utilizzano i raggi X presso l'Argonne National Laboratory vicino a Chicago, dove sono state evidenziate le due diverse strutture e presso il grande laboratorio a raggi X DESY di Amburgo dove è stato possibile indagare la dinamica e dimostrare che le due fasi in effetti erano entrambe fasi liquide. L'acqua può quindi esistere come due liquidi diversi.

"È molto eccitante poter utilizzare i raggi X per determinare le posizioni relative tra le molecole in momenti diversi", dice Fivos Perakis, postdoc presso l'Università di Stoccolma con un background in spettroscopia ottica ultraveloce. "Abbiamo in particolare potuto seguire la trasformazione del campione a basse temperature tra le due fasi e dimostrato che c'è diffusione come è tipico per i liquidi".

Quando pensiamo al ghiaccio è più spesso come un ordinato, fase cristallina che si tira fuori dalla ghiacciaia, ma la forma più comune di ghiaccio nel nostro sistema planetario è amorfa, che è disordinato, e ci sono due forme di ghiaccio amorfo a bassa e alta densità. Le due forme possono essere interconvertite e si è ipotizzato che possano essere correlate a forme di acqua liquida a bassa e alta densità. Indagare sperimentalmente questa ipotesi è stata una grande sfida che il gruppo di Stoccolma ha ora superato.

"Ho studiato a lungo i ghiacci amorfi con l'obiettivo di determinare se possono essere considerati uno stato vetroso che rappresenta un liquido ghiacciato", dice Katrin Amann-Winkel, ricercatore in Fisica Chimica presso l'Università di Stoccolma. "È un sogno che diventa realtà seguire in modo così dettagliato come uno stato vetroso dell'acqua si trasforma in un liquido viscoso che quasi immediatamente si trasforma in un diverso, ancora più viscoso, liquido di densità molto più bassa".

"La possibilità di fare nuove scoperte in acqua è assolutamente affascinante e di grande ispirazione per i miei studi successivi", dice Daniel Mariedahl, Dottoranda in Fisica Chimica presso l'Università di Stoccolma. "È particolarmente eccitante che le nuove informazioni siano state fornite dai raggi X sin dal pioniere della radiazione a raggi X, Wilhelm Conrad Röntgen, stesso ipotizzò che l'acqua potesse esistere in due forme diverse e che l'interazione tra di esse potesse dar luogo alle sue strane proprietà".

"I nuovi risultati danno un supporto molto forte a un quadro in cui l'acqua a temperatura ambiente non può decidere in quale delle due forme dovrebbe essere, alta o bassa densità, che si traduce in fluttuazioni locali tra i due", dice Lars G.M. Pettersson, professore di Fisica Chimica Teorica all'Università di Stoccolma. "In poche parole:l'acqua non è un liquido complicato, ma due semplici liquidi con un rapporto complicato."

Questi nuovi risultati non solo creano una comprensione generale dell'acqua a diverse temperature e pressioni, ma anche come l'acqua è influenzata da sali e biomolecole importanti per la vita. Inoltre, la maggiore comprensione dell'acqua può portare a nuove intuizioni su come purificare e desalinizzare l'acqua in futuro. Questa sarà una delle principali sfide per l'umanità in vista del cambiamento climatico globale.