Acqua, sempre importante, sempre controverso, sempre affascinante, resta sorprendente. Per una sostanza che è onnipresente sulla Terra, tre quarti del nostro pianeta ne sono coperti, i ricercatori possono ancora essere sorpresi da alcune delle sue proprietà, secondo il chimico dell'Arizona State University C. Austen Angell.

Angelo, un Regents Professor nella Scuola di Scienze Molecolari dell'ASU, ha trascorso buona parte della sua illustre carriera alla ricerca di alcune delle proprietà fisiche più curiose dell'acqua. In una nuova ricerca appena pubblicata su Scienza (9 marzo), Angell e colleghi dell'Università di Amsterdam hanno, per la prima volta, osservato una delle proprietà più intriganti previste dai teorici dell'acqua - che, su sufficiente sottoraffreddamento e in condizioni specifiche cambierà improvvisamente da un liquido ad un altro. Il nuovo liquido è ancora acqua ma ora è di densità inferiore e con una diversa disposizione delle molecole legate all'idrogeno con un legame più forte che lo rende un liquido più viscoso.

"Non ha nulla a che fare con 'poli-acqua, '" aggiunge Angell ricordando un fiasco scientifico di molti decenni fa. Il nuovo fenomeno è una transizione di fase liquido-liquido, e fino ad ora era stato visto solo in simulazioni al computer di modelli acquatici.

Il problema con l'osservazione di questo fenomeno direttamente nell'acqua reale è che, poco prima che la teoria dica che dovrebbe accadere, l'acqua vera si cristallizza improvvisamente in ghiaccio. Questa è stata chiamata la "cortina di cristallizzazione" e ha ostacolato per decenni i progressi nella comprensione della fisica dell'acqua e della biologia dell'acqua.

"Il dominio tra questa temperatura di cristallizzazione e la temperatura molto più bassa alla quale l'acqua vetrosa (formata dalla deposizione di molecole d'acqua dal vapore) cristallizza durante il riscaldamento è stata conosciuta come una 'terra di nessuno', '", ha detto Angell. "Abbiamo trovato un modo per tirare da parte la 'tenda di cristallizzazione' quel tanto che basta per vedere cosa succede dietro - o più correttamente, sotto di esso, " disse Angelo.

Le transizioni di fase dell'acqua sono importanti da comprendere per una moltitudine di applicazioni. Per esempio, il noto e distruttivo sollevamento di strade e marciapiedi in cemento in inverno è dovuto al passaggio di fase dall'acqua al ghiaccio sotto il cemento. La transizione di fase tra gli stati liquidi, descritto nel lavoro in corso, ha molto in comune con il passaggio al ghiaccio ma avviene a una temperatura molto più bassa, circa -90 C (-130 F), e solo in condizioni di super-raffreddamento, quindi è probabile che rimanga per lo più una curiosità scientifica per il prossimo futuro.

Angell ha spiegato che un paio di anni fa lui e il suo collaboratore di ricerca Zuofeng Zhao, stavano studiando il comportamento termico di un tipo speciale di soluzione acquosa "ideale" che avevano utilizzato per esplorare il ripiegamento e lo spiegamento delle proteine ​​globulari. Volevano osservare la capacità di queste soluzioni di supercool e poi vetrificare. Cercando il limite al dominio vetroso, hanno aggiunto acqua extra per aumentare la probabilità di cristallizzazione del ghiaccio e hanno scoperto che invece di evolvere finalmente il calore mentre il ghiaccio cristallizza (lasciando una soluzione residua non congelata) come si trova normalmente quando si raffreddano soluzioni saline, in realtà emetteva calore per formare una nuova fase liquida.

Il nuovo liquido era molto più viscoso, magari anche vetroso. Per di più, invertendo la direzione della variazione di temperatura, Angell e Zhao scoprirono che potevano trasformare la nuova fase nella soluzione originale prima che il ghiaccio iniziasse a cristallizzare.

"Questa osservazione, pubblicato su Angewandte Chemie, ha suscitato notevole interesse ma non c'erano informazioni strutturali per spiegare cosa stava succedendo, " ha detto Angell. Le cose sono cambiate quando Angell ha visitato l'Università di Amsterdam due estati fa, e ho incontrato Sander Woutersen, uno specialista in spettroscopia infrarossa che si interessò molto agli aspetti strutturali del fenomeno.

Nella rivista Science, la squadra con Woutersen, il suo studente Michiel Hilbers e il suo collega di calcolo Bernd Ensing hanno ora dimostrato che le strutture coinvolte nella transizione liquido-liquido hanno le stesse firme spettroscopiche - e gli stessi schemi di legame idrogeno - come si vedono nelle due note forme vetrose di ghiaccio prodotte da laboriose processi alternativi (fasi solide amorfe dell'acqua ad alta e bassa densità).

"La transizione liquido-liquido che avevamo trovato era ora vista come l'"analogo vivente" del cambiamento tra due stati vetrosi di acqua pura che era stato segnalato nel 1994, usando la pressione pura come forza motrice, " ha spiegato Angelo.

I risultati sembrerebbero "fornire una prova diretta dell'esistenza di una transizione liquido-liquido dietro la 'cortina di cristallizzazione' in acqua pura, "Woutersen ha detto, aggiungendo che i risultati offrono una spiegazione generale per le anomalie termodinamiche dell'acqua liquida, e una convalida per la "teoria del secondo punto critico" avanzata dal gruppo di Gene Stanley per spiegare quelle anomalie.

"Questo comportamento è quasi unico tra la miriade di liquidi molecolari conosciuti, " Aggiunse Angell. "Si pensa che solo poche altre sostanze lo mostrino, ma nessuno è stato dimostrato fino ad oggi."