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Un nuovo tipo di "transizione di fase" nell'acqua è stato proposto per la prima volta 30 anni fa in uno studio condotto da ricercatori dell'Università di Boston. Poiché è stato previsto che la transizione avvenga in condizioni di superraffreddamento, tuttavia, confermarne l'esistenza è stata una sfida. Questo perché a queste basse temperature, l'acqua non vuole proprio essere un liquido, ma vuole diventare rapidamente ghiaccio. A causa del suo stato nascosto, molto è ancora sconosciuto su questa transizione di fase liquido-liquido, a differenza degli esempi quotidiani di transizioni di fase nell'acqua tra una fase solida o vapore e una fase liquida.
Questa nuova evidenza, pubblicata su Nature Physics , rappresenta un significativo passo avanti nel confermare l'idea di una transizione di fase liquido-liquido proposta per la prima volta nel 1992. Francesco Sciortino, oggi professore alla Sapienza Università di Roma, è stato membro del gruppo di ricerca originario della Boston University ed è anche co -autore di questo articolo.
Il team ha utilizzato simulazioni al computer per aiutare a spiegare quali caratteristiche distinguono i due liquidi a livello microscopico. Hanno scoperto che le molecole d'acqua nei liquidi ad alta densità formano disposizioni che sono considerate "topologicamente complesse", come un nodo trifoglio (pensa alle molecole disposte in modo tale da assomigliare a un pretzel) o un collegamento Hopf ( pensa a due maglie di una catena d'acciaio). Si dice quindi che le molecole nel liquido ad alta densità siano entangled.
Al contrario, le molecole nel liquido a bassa densità formano per lo più anelli semplici, e quindi le molecole nel liquido a bassa densità sono districate.
Andreas Neophytou, un dottorato di ricerca studente presso l'Università di Birmingham con il Dr. Dwaipayan Chakrabarti, è l'autore principale del documento. Dice:"Questa intuizione ci ha fornito una visione completamente nuova di quello che ora è un problema di ricerca vecchio di 30 anni e, si spera, sarà solo l'inizio".
I ricercatori hanno utilizzato un modello colloidale dell'acqua nella loro simulazione e poi due modelli molecolari dell'acqua ampiamente utilizzati. I colloidi sono particelle che possono essere mille volte più grandi di una singola molecola d'acqua. In virtù delle loro dimensioni relativamente maggiori, e quindi dei movimenti più lenti, i colloidi vengono utilizzati per osservare e comprendere fenomeni fisici che si verificano anche su scale di lunghezza atomica e molecolare molto più piccole.
Anomalie termodinamiche e LLCP in acqua colloidale. un , Schema dell'autoassemblaggio gerarchico di particelle irregolari triblocco che portano a un modello colloidale dell'acqua. I due cerotti, etichettati A e B, sono di dimensioni diverse e formano legami di diversa forza. Le patch A (rosse) formano legami più forti rispetto alle patch B (blu) in modo da codificare l'assemblaggio a due stadi durante il raffreddamento. b , L'evoluzione della densità ridotta ρ ⋆ in funzione della temperatura ridotta T ⋆ per diverse pressioni ridotte P ⋆ , dove P ⋆ × 10 3 = 5, 6, 7, 7.5, 8.5, 9, 10, 12, 14 e 16. La freccia indica la direzione di aumento di P ⋆ . L'inserto evidenzia la densità massima per P ⋆ × 10 3 = 5, 6, 7 e 7,5. c , L'evoluzione del coefficiente di espansione termica ridotto (α⋆PαP⋆{\alpha }_{P}^{\star}), comprimibilità isotermica (κ⋆TκT⋆{\kappa }_{T}^{\star}) e capacità termica isobarica (c⋆PcP⋆{c}_{P}^{\star}) in funzione di T ⋆ a P ⋆ = 0,0085 (vicino alla pressione critica). Le barre di errore rappresentano la deviazione standard su cinque serie di traiettorie Monte Carlo, ciascuna di 1 × 10 8 cicli. d , La dipendenza di ρ ⋆ e la frazione di obbligazioni BB formate (f b ) su P ⋆ a T ⋆ = 0,105 e T ⋆ = 0,112. e , La distribuzione del parametro dell'ordine M per l'acqua colloidale (simboli blu), calcolata utilizzando la pesatura dell'istogramma, con T ⋆ ≈ 0,1075, P ⋆ ≈ 0,0082 e s ≈ 0,627, rispetto alla corrispondente distribuzione universale 3D Ising (linea rossa continua). Credito:Fisica della natura (2022). DOI:10.1038/s41567-022-01698-6
Il dottor Chakrabarti, un coautore, afferma:"Questo modello colloidale dell'acqua fornisce una lente d'ingrandimento all'acqua molecolare e ci consente di svelare i segreti dell'acqua riguardanti la storia di due liquidi".
Il professor Sciortino afferma:"In questo lavoro, proponiamo, per la prima volta, una visione della transizione di fase liquido-liquido basata su idee di entanglement di rete. Sono sicuro che questo lavoro ispirerà nuovi modelli teorici basati su concetti topologici".
Il team si aspetta che il modello che hanno ideato apra la strada a nuovi esperimenti che convalideranno la teoria ed estenderanno il concetto di liquidi "aggrovigliati" ad altri liquidi come il silicio.
Pablo Debenedetti, professore di ingegneria chimica e biologica all'Università di Princeton negli Stati Uniti ed esperto mondiale in quest'area di ricerca, osserva:"Questo bellissimo lavoro computazionale scopre le basi topologiche alla base dell'esistenza di diverse fasi liquide nella stessa rete -sostanza formante.
"In tal modo, arricchisce e approfondisce sostanzialmente la nostra comprensione di un fenomeno che abbondanti prove sperimentali e computazionali suggeriscono sempre più essere centrale per la fisica del più importante dei liquidi:l'acqua."
Christian Micheletti, professore all'International School for Advanced Studies di Trieste, in Italia, il cui attuale interesse di ricerca risiede nella comprensione dell'impatto dell'entanglement, in particolare di nodi e collegamenti, sulla statica, cinetica e funzionalità dei biopolimeri, afferma:"Con questo singolo documento , Neophytou et al. hanno compiuto numerosi progressi che saranno consequenziali in diverse aree scientifiche.
"In primo luogo, il loro modello colloidale dell'acqua elegante e sperimentalmente suscettibile apre prospettive completamente nuove per studi su larga scala dei liquidi. Oltre a ciò, forniscono prove molto forti che le transizioni di fase che possono essere sfuggenti all'analisi tradizionale della struttura locale dei liquidi sono invece prontamente raccolto seguendo i nodi e i collegamenti nella rete di legame del liquido.
"L'idea di cercare tali complessità nello spazio alquanto astratto dei percorsi che corrono lungo legami molecolari transitori è molto potente e mi aspetto che sarà ampiamente adottata per studiare sistemi molecolari complessi".
Dice Sciortino:"L'acqua, una dopo l'altra, svela i suoi segreti. Sogna quanto sarebbe bello se potessimo guardare dentro il liquido e osservare la danza delle molecole d'acqua, il modo in cui tremolano e il modo in cui si scambiano i partner, ristrutturandosi la rete del legame idrogeno. La realizzazione del modello colloidale per l'acqua che proponiamo può realizzare questo sogno." + Esplora ulteriormente
