Un team di scienziati ha scoperto nuove proprietà molecolari dell'acqua, una scoperta di un fenomeno che in precedenza era passato inosservato.

Un team di scienziati ha scoperto nuove proprietà molecolari dell'acqua, una scoperta di un fenomeno che in precedenza era passato inosservato.

L'acqua liquida è nota per essere un ottimo trasportatore dei propri prodotti di autoionizzazione; questo è, la specie carica ottenuta quando una molecola d'acqua (H ₂ O) è suddiviso in protoni (H ⁺ ) e ioni idrossido (OH ⁻ ). Questa notevole proprietà dell'acqua la rende un componente critico nelle tecnologie emergenti di produzione e stoccaggio di energia elettrochimica come le celle a combustibile; infatti, la vita stessa non sarebbe possibile se l'acqua non possedesse questa caratteristica.

Si sa che l'acqua consiste in un'intricata rete di deboli, interazioni direzionali note come legami idrogeno. Per quasi un secolo, si pensava che i meccanismi con cui l'acqua trasporta l'H ⁺ e OH ⁻ gli ioni erano immagini speculari l'uno dell'altro - identici in tutti i modi tranne che per le direzioni dei legami idrogeno coinvolti nel processo.

Modelli teorici all'avanguardia e simulazioni al computer, però, previsto una fondamentale asimmetria in questi meccanismi. Se corretto, questa asimmetria è qualcosa che potrebbe essere sfruttata in diverse applicazioni adattando un sistema per favorire uno ione rispetto all'altro.

La prova sperimentale della previsione teorica è rimasta elusiva a causa della difficoltà di osservare direttamente le due specie ioniche. Diversi esperimenti hanno fornito solo scorci dell'asimmetria prevista.

Un team di scienziati della New York University, guidato dal professor Alexej Jerschow e tra cui Emilia Silletta, un borsista post-dottorato della New York University, e Mark Tuckerman, un professore di chimica e matematica alla NYU, ideato un nuovo esperimento per inchiodare questa asimmetria. L'approccio sperimentale prevedeva il raffreddamento dell'acqua fino alla sua cosiddetta temperatura di massima densità, dove ci si aspetta che l'asimmetria sia più fortemente manifesta, permettendo così di essere accuratamente individuato.

È risaputo che il ghiaccio galleggia sull'acqua e che i laghi si congelano dall'alto. Questo perché le molecole d'acqua si impacchettano in una struttura con una densità inferiore a quella dell'acqua liquida, una manifestazione delle proprietà insolite dell'acqua:la densità dell'acqua liquida aumenta appena sopra il punto di congelamento e raggiunge un massimo a quattro gradi Celsius (39 gradi Fahrenheit ), la cosiddetta temperatura di massima densità; questa differenza di densità impone che il liquido si trovi sempre al di sotto del ghiaccio.

Raffreddando l'acqua fino a questa temperatura, il team ha utilizzato metodi di risonanza magnetica nucleare (lo stesso tipo di approccio è medico nella risonanza magnetica) per dimostrare che la differenza nella durata dei due ioni raggiunge un valore massimo (maggiore è la durata, più lento è il trasporto). Accentuando la differenza di vite, l'asimmetria divenne lampante.

Come notato in precedenza, l'acqua è costituita da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno, ma gli atomi di idrogeno sono relativamente mobili e possono saltare da una molecola all'altra, ed è questo saltellare che rende le due specie ioniche così mobili nell'acqua.

Nel cercare spiegazioni per le caratteristiche dipendenti dalla temperatura, i ricercatori si sono concentrati sulla velocità con cui possono verificarsi tali luppoli.

Ricerche precedenti avevano indicato che due principali disposizioni geometriche dei legami idrogeno (uno associato a ciascun ione) facilitano il luppolo. I ricercatori hanno scoperto che uno degli accordi ha portato a luppoli significativamente più lenti per OH ⁻ che per H ⁺ a quattro gradi Celsius. Essendo che questa è anche la temperatura di massima densità, i ricercatori hanno ritenuto che i due fenomeni dovessero essere collegati. Inoltre, i loro risultati hanno mostrato che il comportamento di salto delle molecole è cambiato bruscamente a questa temperatura.

"Lo studio delle proprietà molecolari dell'acqua è di intenso interesse per il suo ruolo centrale nell'abilitare i processi fisiologici e la sua natura ubiquitaria, "dice Jerschow, l'autore corrispondente di questo studio. "La nuova scoperta è piuttosto sorprendente e potrebbe consentire una comprensione più profonda delle proprietà dell'acqua e del suo ruolo come fluido in molti dei fenomeni naturali".

Tuckerman, che è stato uno dei primi ricercatori a prevedere l'asimmetria nei meccanismi di trasporto e la differenza nelle disposizioni dei legami idrogeno, dice, "È gratificante avere questa chiara prova sperimentale che conferma le nostre precedenti previsioni. Attualmente stiamo cercando nuovi modi per sfruttare l'asimmetria tra H ⁺ e OH ⁻ trasporti per progettare nuovi materiali per applicazioni di energia pulita, e sapere che stiamo iniziando con un modello corretto è fondamentale per il nostro continuo progresso".

Un'ampia fetta di altre ricerche, che vanno dallo studio della funzione degli enzimi nel corpo alla comprensione di come gli organismi viventi possono prosperare in condizioni difficili, comprese le temperature sotto lo zero e gli ambienti altamente acidi, sarà anche influenzato dai risultati del team.