Figura 1. (Sinistra) L'acqua superraffreddata viene congelata con shock (Copyright:Takeshi Fujino, KOWA Corporation, Niigata, Giappone) (a destra) Istantanea dell'acqua sottoraffreddata calcolata dalle nostre simulazioni al computer (rosso:ossigeno, bianco:idrogeno, legame giallo:legame idrogeno). Credito:Università di Osaka
Quando Einstein stava lavorando per il suo dottorato di ricerca, fu tra i primi a spiegare come le particelle esibiscano movimenti casuali nei fluidi. La diffusione è un importante processo fisico e la relazione Stokes-Einstein descrive come le particelle si diffondono attraverso un fluido basato sulla teoria idrodinamica. Ma misteriosamente a basse temperature al di sotto della temperatura di fusione, qualcosa cambia nei liquidi superraffreddati e il conseguente comportamento vetroso altamente viscoso non può più essere spiegato dalla semplice relazione Stokes-Einstein.
Ora, due ricercatori dell'Università di Osaka e dell'Università di Nagoya hanno simulato l'acqua superraffreddata con dettagli senza precedenti per spiegare il comportamento anomalo alle basse temperature. Hanno recentemente pubblicato i loro risultati in Progressi scientifici .
"La maggior parte dei liquidi obbedisce all'equazione di Stokes-Einstein su un'ampia gamma di temperature, ma alcuni cambiamenti inaspettati nel comportamento si trovano nell'acqua superraffreddata e in altri materiali vetrosi, " coautore Kang Kim, dell'Università di Osaka, dice. "La rottura del comportamento di Stokes-Einstein suggerisce una sorta di movimenti molecolari anomali anche allo stato liquido, ma non è chiaro quali siano questi comportamenti".
La semplice relazione Stokes-Einstein si basa su argomenti su come le molecole si muovono casualmente a livello microscopico. Ma in acqua super raffreddata, le molecole iniziano a rallentare irregolarmente. I ricercatori hanno dimostrato attraverso simulazioni che alcune regioni dell'acqua vengono colpite più di altre, formazione di legami idrogeno eterogenei con parziale solidificazione.
Le molecole d'acqua si muovono attraverso l'acqua viscosa superraffreddata in salti legati alla rottura del legame idrogeno. La tempistica irregolare di questo tipo di movimento non è spiegata dall'equazione di Stokes-Einstein.
Figura 2. Nell'acqua superraffreddata, due molecole d'acqua legate all'idrogeno (rosso:ossigeno, bianco:idrogeno) mostrano movimenti di salto con rottura del legame idrogeno. Le altre molecole d'acqua sono colorate di azzurro. I legami idrogeno sono colorati di giallo. Credito:Università di Osaka
Le loro simulazioni hanno permesso loro di esaminare come la rete di legami idrogeno dell'acqua superraffreddata sia cambiata nel tempo. La loro modellazione ha mostrato chiaramente che i tempi di rottura del legame idrogeno intermittente hanno contribuito alla rottura del comportamento di Stokes-Einstein.
"Ci sono interessanti implicazioni fisiche di questi risultati poiché la violazione di Stokes-Einstein è considerata un'anomalia idrodinamica di molti sistemi di materiali vetrosi, " dice Kim. "Le nostre simulazioni aiutano a rispondere a domande su ciò che accade nell'acqua pura superraffreddata e potrebbero anche aiutare a spiegare altri comportamenti dinamici in altri materiali vetrosi tecnologicamente importanti".
