La mancanza di colore dell'acqua, gusto e olfatto lo fanno sembrare semplice - e a livello molecolare, è. Però, quando molte molecole d'acqua si uniscono formano una rete molto complessa di legami idrogeno. Si ritiene che questa rete sia responsabile di molte delle proprietà peculiari dell'acqua liquida, ma il suo comportamento non è ancora del tutto compreso.

Ora i ricercatori hanno sondato i movimenti delle molecole nell'acqua liquida che si verificano in meno di 100 milionesimi di miliardesimo di secondo, o femtosecondi. Un team internazionale guidato da ricercatori dell'Università di Stoccolma ha effettuato gli esperimenti con il laser a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) presso il Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia. Hanno pubblicato il loro rapporto questa settimana in Comunicazioni sulla natura .

Lo studio è il primo a "fotografare" le molecole d'acqua su questa scala temporale con una tecnica chiamata spettroscopia di correlazione fotonica a raggi X ultraveloce, che fa rimbalzare gli impulsi dei raggi X sulle molecole per produrre una serie di schemi di diffrazione. Variando la durata degli impulsi a raggi X varia essenzialmente il tempo di esposizione, e qualsiasi movimento delle molecole d'acqua durante un'esposizione offuscherebbe l'immagine risultante. Analizzando la sfocatura prodotta dai diversi tempi di esposizione, gli scienziati sono stati in grado di estrarre informazioni sul movimento molecolare.

In questo lasso di tempo, si presumeva che le molecole d'acqua si muovessero casualmente a causa del calore, comportandosi più come un gas che come un liquido. Però, gli esperimenti indicano che la rete di legami idrogeno gioca un ruolo anche su questa scala temporale ultraveloce, coordinando i movimenti delle molecole d'acqua in una danza intricata, che diventa ancora più pronunciato quando l'acqua è "sovraraffreddata" al di sotto del suo normale punto di congelamento.

"La chiave per comprendere l'acqua a livello molecolare è osservare i cambiamenti della rete di legami idrogeno, che può svolgere un ruolo importante nell'attività biologica e nella vita come la conosciamo, "dice Anders Nilsson, professore all'Università di Stoccolma ed ex professore allo SLAC.

Aggiunge il ricercatore dell'Università di Stoccolma Fivos Perakis, "È una capacità nuova di zecca essere in grado di utilizzare i laser a raggi X per vedere il movimento delle molecole in tempo reale. Questo può aprire un nuovo campo di indagine su queste scale temporali, combinato con la sensibilità strutturale unica dei raggi X."

I risultati sperimentali sono stati riprodotti da simulazioni al computer, che indicano che la danza coordinata delle molecole d'acqua è dovuta alla formazione di strutture tetraedriche transitorie.

"Ho studiato a lungo la dinamica dell'acqua liquida e superraffreddata utilizzando simulazioni al computer, ed è molto emozionante poter finalmente confrontare direttamente con gli esperimenti, "dice Gaia Camisasca, un ricercatore post-dottorato presso l'Università di Stoccolma che ha eseguito le simulazioni al computer per questo studio. "Non vedo l'ora di vedere i risultati futuri che possono scaturire da questa tecnica, che può aiutare a migliorare gli attuali modelli di computer per l'acqua."