Gli scienziati dell'Università di Stoccolma hanno scoperto che l'acqua può mostrare un comportamento simile a quello di un cristallo liquido quando viene illuminata con luce laser. Questo effetto ha origine dall'allineamento delle molecole d'acqua, che mostrano una miscela di domini a bassa e alta densità che sono più o meno inclini all'allineamento. I risultati, segnalato in Lettere di revisione di fisica , si basano su una combinazione di studi sperimentali che utilizzano laser a raggi X e simulazioni molecolari.

I cristalli liquidi erano considerati una mera curiosità scientifica quando furono scoperti per la prima volta nel 1888. Oltre 100 anni dopo, sono una delle tecnologie più utilizzate, presente nei display digitali (LCD) degli orologi, TV e schermi di computer. I cristalli liquidi funzionano applicando un campo elettrico, che fa allineare le molecole vicine di un liquido, in un modo che ricorda un cristallo. Anche l'acqua può essere distorta verso un cristallo liquido, quando illuminato con luce laser. È noto che il campo elettrico del laser può allineare le molecole d'acqua per meno di un miliardesimo di secondo. Questa scoperta può avere applicazioni tecnologiche future?

Un team internazionale di ricercatori del Dipartimento di Fisica dell'Università di Stoccolma ha effettuato esperimenti presso il laser giapponese a raggi X a elettroni liberi SACLA e ha sondato per la prima volta la dinamica di molecole orientate in modo transitorio utilizzando impulsi a raggi X. Questa tecnica, si basa sull'allineamento delle molecole con un impulso laser (con lunghezza d'onda λ =800 nm) e sulla verifica dell'allineamento con impulsi a raggi X, che permettono di vedere in tempo reale i cambiamenti nella struttura a livello molecolare. Variando il tempo tra il laser e gli impulsi a raggi X, i ricercatori sono stati in grado di risolvere lo stato allineato, che vive solo per 160 fs.

"È noto che le molecole d'acqua sono allineate a causa della polarizzazione dell'impulso laser", spiega Kyung Hwan Kim, ex ricercatore presso l'Università di Stoccolma e attualmente assistente professore presso la POSTECH University in Corea, "È tuttavia una capacità unica poter utilizzare i laser a raggi X per vedere l'allineamento molecolare in tempo reale".

"I raggi X sono perfetti per sondare le molecole perché la loro lunghezza d'onda corrisponde alle scale di lunghezza molecolari", afferma il dott. Alexander Späh, ex dottoranda in Fisica presso l'Università di Stoccolma, e attualmente è un postdoc alla Stanford University. "Mi piace molto avere l'opportunità di utilizzare strutture a raggi X all'avanguardia per indagare su questioni fondamentali che potrebbero avere applicazioni tecnologiche future".

Gli esperimenti sono stati ben riprodotti da simulazioni molecolari, che ha fornito un'idea del meccanismo di allineamento sottostante. Assumendo che l'acqua si comporti come un liquido a due stati, costituito da domini liquidi ad alta e bassa densità (HDL e LDL), i ricercatori hanno scoperto che ogni dominio mostra una diversa tendenza all'allineamento.

"Le molecole d'acqua nelle regioni LDL hanno una rete di legami idrogeno più forte, che rende le molecole più facili da rispondere al forte campo laser" spiega Anders Nilsson, Professore di Fisica Chimica all'Università di Stoccolma. "Sarebbe affascinante misurare la durata dell'allineamento molecolare nel regime superraffreddato, dove tutto dovrebbe rallentare drasticamente".

"Essere in grado di comprendere l'acqua a livello molecolare osservando i cambiamenti della rete di legami idrogeno, possono svolgere un ruolo importante nell'attività biologica", afferma Fivos Perakis, professore assistente in Fisica all'Università di Stoccolma. "Sono curioso di vedere se l'allineamento osservato può portare ad applicazioni tecnologiche in futuro, ad esempio in relazione alla pulizia e alla desalinizzazione dell'acqua".