Bevi questo factoid:l'acqua è il liquido più strano di tutti.

La maggior parte dei fluidi ha comportamenti prevedibili e simili. Ma a differenza di altri fluidi, l'acqua è più densa come un liquido, non un solido. La vita acquatica sopravvive all'inverno perché il ghiaccio galleggia invece di affondare ed espandersi in un enorme ghiacciaio solido. Le proprietà uniche ma strane dell'acqua aiutano a sostenere la vita.

Per decenni, scienziato hanno cercato di capire cosa succede con lo strano comportamento dell'acqua. Le risposte sembrano risiedere in una finestra a lungo nascosta di temperature estreme.

Nel 2020, gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno fatto un enorme passo avanti nella comprensione del fenomeno. Dettagliato nel diario Scienza , il team ha utilizzato una rivoluzionaria tecnica di riscaldamento laser che ha rivelato, per la prima volta, i cambiamenti su scala nanometrica che l'acqua liquida superraffreddata subisce tra -117,7 gradi Fahrenheit (190 K) e -18,7 gradi Fahrenheit (245 K).

La tecnica ha sollevato il sipario da questa finestra di temperatura precedentemente nascosta dove avvengono gli strani e sottili cambiamenti strutturali dell'acqua. Il fisico chimico del PNNL Greg Kimmel ha descritto questa distesa inesplorata come "l'intero gioco della palla nella comprensione della struttura dell'acqua".

Quel gioco con la palla fa parte del programma Condensed Phase and Interfacial Molecular Sciences sponsorizzato dall'Office of Basic Energy Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Il programma finanzia la ricerca per comprendere la fisica e la chimica fondamentali di sistemi lontani dall'equilibrio, e come raggiungono l'equilibrio. In questo caso, quel sistema sono liquidi, in particolare, acqua.

"L'acqua è uno dei solventi più importanti che abbiamo, " ha detto Kimmel. "Stiamo cercando di capire meglio come si comporta l'acqua alle interfacce, nel confinamento e nelle soluzioni, come si condensa e si cristallizza, eccetera."

Le implicazioni sono di vasta portata, che vanno dai processi biologici e fisici legati ai cambiamenti climatici, a migliori chimiche per l'energia e il trattamento nucleare, a nuovi farmaci per combattere le malattie.

I ricercatori in tutte queste aree si daranno presto gomito al Centro di scienze energetiche del PNNL, apertura prevista per la fine del 2021. Il nuovo 140, La sede di 000 piedi quadrati ospiterà fino a 250 teorici, sperimentalisti, scienziati in visita, e personale di supporto, per non parlare della più recente strumentazione scientifica. Kimmel e i suoi colleghi non vedono l'ora di lavorare in un ambiente collaborativo pur rimanendo concentrati sul laser sull'acqua superraffreddata.

Questione di equilibrio o no

"Mentre abbassi la temperatura, la maggior parte delle molecole liquide si impacchettano molto strettamente e sono molto dense. Ma sotto i 39 gradi Fahrenheit, l'acqua è esattamente l'opposto, " ha spiegato Loni Kringle, che ha lavorato come ricercatore post-dottorato con il team di Kimmel sugli studi sull'acqua superraffreddata. "Le molecole d'acqua formano legami tetraedrici che occupano molto spazio. Quando l'acqua si raffredda, si espande e diminuisce di densità." Pensa ai cubetti di ghiaccio che escono dal vassoio.

Gli scienziati comprendono molto bene questo quadro generale, ma come avviene nel dettaglio? Non così tanto.

L'acqua che rimane in forma liquida ben al di sotto del normale punto di congelamento, chiamata acqua superraffreddata, è lontana dal vero equilibrio, lo stato più stabile. Se la sua struttura non cambia, l'acqua è in un cosiddetto stato metastabile. Gli esperimenti di Kimmel e del team hanno misurato la velocità con cui l'acqua superraffreddata si rilassa dalla sua configurazione iniziale all'"equilibrio metastabile" prima che si cristallizzi.

"Se vuoi che il tuo materiale raggiunga l'equilibrio o meno dipende dalle proprietà che vuoi che abbia, " ha spiegato Kimmel, prendendo come esempio le scorie radioattive. "Se vuoi catturare e trattenere nuclei radioattivi, vuoi mantenere un bicchiere, non un materiale cristallino, che può far crescere i grani ed espellere le impurità dalla superficie. Sarebbe un problema".

Dai rifiuti che eruttano all'acqua superraffreddata

Kimmel è entrato a far parte del PNNL nel 1992 per studiare le reazioni responsabili dell'accumulo e del rilascio improvviso di gas idrogeno dalle scorie nucleari immagazzinate in serbatoi sotterranei presso il sito di Hanford del DOE. Ha simulato il processo di "eruttazione" sparando elettroni a sottili pellicole d'acqua.

Il suo lavoro si è allineato bene con la ricerca del collega scienziato PNNL Bruce Kay sulla struttura e la cinetica dei film alle interfacce, osservando come l'acqua si desorbe e l'energia viene rilasciata in una gamma di temperature. I due scienziati hanno perseguito l'idea di provare il riscaldamento laser per misurare la velocità con cui l'acqua si cristallizza e si diffonde.

Esistevano teorie sulle trasformazioni strutturali reversibili prima della cristallizzazione dell'acqua, a temperature superiori a -171 gradi Fahrenheit (160 K) e inferiori a -36 gradi Fahrenheit (235 K), ma non c'erano prove. Gli esperimenti precedenti sono saltati oltre l'intervallo.

"Quell'intervallo di temperatura è molto difficile da raggiungere e controllare sperimentalmente, ed è quello che ha vinto la tecnica del riscaldamento a impulsi, " ha spiegato Kringle. Ha lavorato a fianco di un altro ricercatore post-dottorato, Wyatt Thornley, per eseguire gli esperimenti e aiutare ad analizzare i dati.

La ricerca di follow-up del team, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze in Aprile, ha esaminato "il nocciolo della cinetica:come i film d'acqua si rilassano in due motivi strutturali, " ha detto Kringle. "Abbiamo esaminato le specifiche dei cambiamenti strutturali, andando oltre le osservazioni qualitative calcolando le differenze partendo da alte rispetto a basse temperature, poi confrontando i risultati con i modelli presenti in letteratura".

Nuove direzioni di ricerca

Nel futuro, il team prevede di lavorare con la professoressa dell'Università dello Utah Valeria Molinero per ottenere una migliore comprensione della cinetica e della dinamica che si verificano durante gli esperimenti di riscaldamento a impulsi. Molinero è un esperto di simulazioni di dinamica molecolare di sistemi acquosi.

Collaborazioni come questa incarnano la visione dietro l'Energy Sciences Center. I ricercatori stanno già pensando alle diverse direzioni che la nuova sede e la loro tecnica di riscaldamento a impulsi potrebbero prendere, e altre ancora.

Un'idea è quella di alterare la temperatura del loro esperimento prima che l'acqua raggiunga lo stato di equilibrio metastabile. Questo aggiustamento consentirebbe loro di studiare come l'acqua "ricorda" e "invecchia, " come si vede nella ricerca sul vetro superraffreddato.

Un'altra via di studio è quella di esaminare "l'acqua pesante" che contiene deuterio, un isotopo naturale dell'idrogeno. Il deuterio contiene un neutrone in più che lo rende più pesante di un atomo di idrogeno standard. Il confronto delle interazioni su scala quantistica che si verificano nell'acqua pesante rispetto all'acqua normale darà agli scienziati maggiore chiarezza sul comportamento strano dell'acqua rispetto ad altri liquidi.

E poiché il riscaldamento laser pulsato si presta a reazioni rapide, altri ricercatori hanno espresso interesse nell'uso della tecnica per studi di chimica.

Nel frattempo, Kringle ha i suoi piani.

"I tempi della nostra tecnica sono stati un limite quando si osserva l'acqua pura. Ho fatto un rapido esperimento esplorativo e ho scoperto che se aggiungiamo altre molecole all'acqua, come il monossido di carbonio, possiamo spostare la temperatura in cui avviene la transizione strutturale, ", ha detto Kringle. "Vorrei seguire e vedere cosa sta succedendo alla fine della transizione. Ciò fornirà informazioni sulla solubilità delle altre molecole che stiamo aggiungendo".

Kringle, che è anche appassionato di istruzione e divulgazione STEM, è ora uno scienziato permanente, unendosi a Kimmel e Kay nella divisione di scienze fisiche di PNNL, guidato da Wendy Shaw.

"Loni è un ottimo esempio della prossima generazione di scienziati e ingegneri che porteranno il testimone della scoperta scientifica nel futuro, non solo al PNNL e al nuovo Energy Science Center, ma presso gli istituti di ricerca di tutto il paese, " ha detto Shaw.