L'acqua è ovunque. Ma non è lo stesso ovunque. Quando congelato a pressioni e temperature estreme, il ghiaccio assume una serie di complesse strutture cristalline.

Molte delle proprietà e dei comportamenti di questi ghiacci esotici rimangono misteriose, ma un team di ricercatori ha recentemente fornito nuove conoscenze. Hanno analizzato come le molecole d'acqua interagiscono tra loro in tre tipi di ghiaccio e hanno scoperto che le interazioni dipendevano fortemente dall'orientamento delle molecole e dalla struttura complessiva del ghiaccio. I ricercatori descrivono i loro risultati in The Giornale di Fisica Chimica .

"Il nuovo lavoro ci ha fornito nuove spettacolari intuizioni su come le molecole d'acqua si comportano quando sono imballate in ambienti densi e strutturalmente complessi, ", ha detto Christoph Salzmann dell'University College di Londra. "Alla fine, questa conoscenza ci consentirà di comprendere l'acqua liquida e l'acqua che circonda le biomolecole in un modo molto migliore".

L'acqua è, Certo, essenziale per la vita come la conosciamo. Ma è anche unico per la sua forma molecolare piegata, con due atomi di idrogeno che pendono da un atomo di ossigeno ad angolo. La molecola complessiva ha una polarità elettrica, con lati carichi positivamente e negativamente. A causa di queste proprietà, le molecole d'acqua possono combaciare in vari modi quando si solidificano in ghiaccio.

Poiché l'acqua tipicamente si congela sulla Terra, le molecole si assemblano in un reticolo con unità strutturali a forma di esagoni. Ma a pressioni estremamente elevate e basse temperature, le molecole possono organizzarsi in modi più complessi, formando 17 diverse fasi, alcune delle quali potrebbero esistere sulle lune ghiacciate dei pianeti esterni.

Mentre le strutture stesse sono note, gli scienziati non hanno ancora compreso appieno come le molecole interagiscono e si influenzano a vicenda, ha affermato Peter Hamm dell'Università di Zurigo. In queste fasi di ghiaccio, le molecole sono legate insieme, influenzandosi a vicenda come se fossero tutti collegati a delle molle.

Per comprendere queste interazioni, Salzmann, Hamm e il loro team hanno utilizzato la spettroscopia infrarossa 2-D su tre fasi del ghiaccio con strutture diverse:ghiaccio II, ghiaccio V e ghiaccio XIII. In questo metodo, hanno sparato una sequenza di impulsi laser a infrarossi ultracorti per eccitare i legami molecolari nel ghiaccio, facendoli vibrare.

Quando le vibrazioni molecolari si stabilizzano a uno stato energetico inferiore, la molecola emette luce a frequenze infrarosse. Misurando come l'intensità dell'emissione infrarossa dipende dalle frequenze sia dell'impulso che della radiazione emessa, producendo spettri 2-D, i ricercatori possono determinare come le molecole interagiscono tra loro.

Dopo aver raccolto dati sul ghiaccio, alcuni dei quali dovevano essere congelati a meno di -200 gradi Celsius e a pressioni diverse migliaia di volte quella dell'atmosfera a livello del mare, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer delle interazioni molecolari per interpretare i loro risultati. Mentre le simulazioni corrispondevano ai dati per il ghiaccio II, non lo fecero per il ghiaccio V e XIII, che parla della complessità del sistema.

Ancora, le intuizioni di questo tipo di analisi possono aiutare a informare le simulazioni al computer utilizzate per modellare il comportamento di molecole biologiche come le proteine, che di solito sono circondati dall'acqua.

"Il ghiaccio d'acqua è importante, e dobbiamo essere in grado di capirlo a un livello molto microscopico, " Hamm ha detto. "Quindi possiamo capire meglio come l'acqua interagisce con altre molecole, e in particolare le biomolecole."