L'acqua superraffreddata è davvero due liquidi in uno. Questa è la conclusione raggiunta da un team di ricerca presso il Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti dopo aver effettuato le prime misurazioni dell'acqua liquida a temperature molto più basse del suo tipico punto di congelamento.

Il ritrovamento, pubblicato oggi sulla rivista Scienza , fornisce dati sperimentali a lungo ricercati per spiegare alcuni dei comportamenti bizzarri che l'acqua mostra a temperature estremamente fredde che si trovano nello spazio esterno e ai confini dell'atmosfera terrestre. Fino ad ora, l'acqua liquida alle temperature più estreme possibili è stata oggetto di teorie e congetture in competizione. Alcuni scienziati si sono chiesti se sia davvero possibile che l'acqua esista veramente come un liquido a temperature fino a -117,7 F (190 K) o se lo strano comportamento sia solo l'acqua che si riorganizza sul suo inevitabile percorso verso un solido.

L'argomento è importante perché capire l'acqua, che copre il 71 per cento della superficie terrestre, è fondamentale per capire come regola il nostro ambiente, il nostro corpo e la vita stessa.

"Abbiamo dimostrato che l'acqua liquida a temperature estremamente fredde non è solo relativamente stabile, esiste in due motivi strutturali, " ha detto Greg Kimmel, un fisico chimico al PNNL. "I risultati spiegano una controversia di lunga data sul fatto che l'acqua sottoraffreddata o meno cristallizzi sempre prima di potersi equilibrare. La risposta è:no".

Acqua superraffreddata:una storia di due liquidi

Penseresti che ormai abbiamo capito l'acqua. È una delle sostanze più abbondanti e studiate del pianeta. Ma nonostante la sua apparente semplicità - due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno per molecola - H ₂ O è ingannevolmente complicato.

È sorprendentemente difficile che l'acqua si congeli appena al di sotto del suo punto di fusione:l'acqua resiste al congelamento a meno che non abbia qualcosa per avviarla, come polvere o qualche altro solido a cui aggrapparsi. Nell'acqua pura, ci vuole una spinta energica per spingere le molecole nella disposizione speciale necessaria per congelare. E si espande quando gela, che è un comportamento strano rispetto ad altri liquidi. Ma quella stranezza è ciò che sostiene la vita sulla Terra. Se i cubetti di ghiaccio affondavano o il vapore acqueo nell'atmosfera non tratteneva il calore, la vita sulla Terra come la conosciamo non esisterebbe.

Lo strano comportamento dell'acqua ha tenuto occupati i fisici chimici Bruce Kay e Greg Kimmel per più di 25 anni. Ora, loro e gli scienziati post-dottorato Loni Kringle e Wyatt Thornley hanno raggiunto una pietra miliare che sperano amplierà la nostra comprensione delle contorsioni che le molecole di acqua liquida possono produrre.

Sono stati proposti vari modelli per spiegare le proprietà insolite dell'acqua. I nuovi dati ottenuti utilizzando una sorta di "istantanea" in stop-motion di acqua superraffreddata mostrano che può condensare in un liquido ad alta densità, struttura liquida. Questa forma a densità più elevata coesiste con una struttura a densità inferiore che è più in linea con il tipico legame previsto per l'acqua. La proporzione di liquido ad alta densità diminuisce rapidamente quando la temperatura passa da -18,7 F (245 K) a -117,7 F (190 K), supportare le previsioni di modelli "miscelati" per l'acqua superraffreddata.

Kringle e Thornley hanno usato la spettroscopia a infrarossi per spiare le molecole d'acqua intrappolate in una sorta di stop motion quando una sottile pellicola di ghiaccio è stata colpita con un laser, creando un'acqua liquida super raffreddata per pochi nanosecondi fugaci.

"Un'osservazione chiave è che tutti i cambiamenti strutturali erano reversibili e riproducibili, "disse Kringle, che ha eseguito molti degli esperimenti.

Graupel:è acqua super raffreddata!

Questa ricerca può aiutare a spiegare graupel, le palline soffici che a volte cadono durante i temporali freddi. Graupel si forma quando un fiocco di neve interagisce con l'acqua liquida super raffreddata nell'alta atmosfera.

"L'acqua liquida nell'atmosfera superiore è profondamente raffreddata, "dice Kay, borsista del PNNL ed esperto di fisica dell'acqua. "Quando incontra un fiocco di neve si congela rapidamente e poi nelle giuste condizioni, cade sulla Terra. È davvero l'unico momento in cui la maggior parte delle persone sperimenterà gli effetti dell'acqua super raffreddata".

Questi studi possono anche aiutare a capire come può esistere acqua liquida su pianeti molto freddi:Giove, Saturno, Urano e Nettuno:nel nostro sistema solare, e oltre. Il vapore acqueo superraffreddato crea anche le bellissime code che si trascinano dietro le comete.

Ginnastica con le molecole d'acqua

Qui sulla Terra, una migliore comprensione delle contorsioni che l'acqua può eseguire quando viene posta in una situazione ristretta, come una singola molecola d'acqua incastrata in una proteina, potrebbe aiutare gli scienziati a progettare nuovi farmaci.

"Non c'è molto spazio per le molecole d'acqua che circondano le singole proteine, " ha detto Kringle. "Questa ricerca potrebbe far luce su come si comporta l'acqua liquida in ambienti molto ravvicinati".

Thornley ha osservato che "negli studi futuri, possiamo usare questa nuova tecnica per seguire i riarrangiamenti molecolari alla base di un'ampia gamma di reazioni chimiche".

C'è ancora molto da imparare, e queste misurazioni aiuteranno ad aprire la strada a una migliore comprensione del liquido vivificante più abbondante sulla Terra.