L'acqua è il liquido più abbondante ma meno compreso in natura. Mostra molti comportamenti strani che gli scienziati ancora faticano a spiegare. Sebbene la maggior parte dei liquidi si addensi man mano che si raffreddano, l'acqua è più densa a 39 gradi Fahrenheit, appena sopra il punto di congelamento. Questo è il motivo per cui il ghiaccio galleggia in cima a un bicchiere e i laghi si congelano dalla superficie verso il basso, permettendo alla vita marina di sopravvivere ai freddi inverni. L'acqua ha anche una tensione superficiale insolitamente alta, permettendo agli insetti di camminare sulla sua superficie, e una grande capacità di immagazzinare calore, mantenere stabili le temperature oceaniche.

Ora, un team che include ricercatori del Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia, L'Università di Stanford e l'Università di Stoccolma in Svezia hanno effettuato la prima osservazione diretta di come gli atomi di idrogeno nelle molecole d'acqua tirano e spingono le molecole d'acqua vicine quando vengono eccitate con la luce laser. I loro risultati, pubblicato in Natura oggi, rivelare effetti che potrebbero essere alla base di aspetti chiave dell'origine microscopica delle strane proprietà dell'acqua e potrebbero portare a una migliore comprensione di come l'acqua aiuta le proteine ​​a funzionare negli organismi viventi.

"Sebbene si sia ipotizzato che questo cosiddetto effetto quantistico nucleare sia al centro di molte delle strane proprietà dell'acqua, questo esperimento segna la prima volta che è stato osservato direttamente, " ha detto il collaboratore dello studio Anders Nilsson, professore di fisica chimica all'Università di Stoccolma. "La domanda è se questo effetto quantistico potrebbe essere l'anello mancante nei modelli teorici che descrivono le proprietà anomale dell'acqua".

Ogni molecola d'acqua contiene un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno, e una rete di legami idrogeno tra gli atomi di idrogeno caricati positivamente in una molecola e gli atomi di ossigeno caricati negativamente nelle molecole vicine li tiene tutti insieme. Questa intricata rete è la forza trainante dietro molte delle proprietà inspiegabili dell'acqua, ma fino a poco tempo fa i ricercatori non sono stati in grado di osservare direttamente come una molecola d'acqua interagisce con i suoi vicini.

"La bassa massa degli atomi di idrogeno accentua il loro comportamento ondulatorio quantistico, " ha detto il collaboratore Kelly Gaffney, uno scienziato presso lo Stanford Pulse Institute allo SLAC. "Questo studio è il primo a dimostrare direttamente che la risposta della rete di legami idrogeno a un impulso di energia dipende in modo critico dalla natura quantomeccanica di come gli atomi di idrogeno sono distanziati, che è stato a lungo suggerito essere responsabile degli attributi unici dell'acqua e della sua rete di legami a idrogeno".

Ama il tuo prossimo

Fino ad ora, fare questa osservazione è stato impegnativo perché i movimenti dei legami idrogeno sono così piccoli e veloci. Questo esperimento ha superato questo problema utilizzando il MeV-UED di SLAC, una "fotocamera elettronica" ad alta velocità che rileva sottili movimenti molecolari disperdendo un potente fascio di elettroni dai campioni.

Il team di ricerca ha creato getti di acqua liquida dello spessore di 100 nanometri, circa 1, 000 volte più sottile della larghezza di un capello umano e fa vibrare le molecole d'acqua con la luce laser a infrarossi. Quindi hanno fatto esplodere le molecole con brevi impulsi di elettroni ad alta energia da MeV-UED.

Ciò ha generato istantanee ad alta risoluzione della struttura atomica mutevole delle molecole che hanno messo insieme in un film in stop-motion di come la rete di molecole d'acqua ha risposto alla luce.

Le istantanee, che si è concentrato su gruppi di tre molecole d'acqua, ha rivelato che quando una molecola d'acqua eccitata inizia a vibrare, il suo atomo di idrogeno attira gli atomi di ossigeno dalle molecole d'acqua vicine prima di spingerli via con la sua nuova forza, ampliando lo spazio tra le molecole.

"Per molto tempo, i ricercatori hanno cercato di comprendere la rete dei legami idrogeno utilizzando tecniche di spettroscopia, " ha detto Jie Yang, un ex scienziato dello SLAC e ora professore alla Tsinghua University in Cina, che ha condotto lo studio. "La bellezza di questo esperimento è che per la prima volta siamo stati in grado di osservare direttamente come si muovono queste molecole".

Una finestra sull'acqua

I ricercatori sperano di utilizzare questo metodo per ottenere maggiori informazioni sulla natura quantistica dei legami idrogeno e sul ruolo che svolgono nelle strane proprietà dell'acqua, così come il ruolo chiave che queste proprietà giocano in molti processi chimici e biologici.

"Questo ha davvero aperto una nuova finestra per studiare l'acqua, " ha detto Xijie Wang, un distinto scienziato del personale SLAC e collaboratore di studio. "Ora che possiamo finalmente vedere i legami idrogeno muoversi, vorremmo collegare quei movimenti con il quadro più ampio, che potrebbe far luce su come l'acqua ha portato all'origine e alla sopravvivenza della vita sulla Terra e informare lo sviluppo di metodi di energia rinnovabile".

MeV-UED è uno strumento della struttura utente LCLS, gestito da SLAC per conto del DOE Office of Science, che ha finanziato questa ricerca.