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L'acqua è sicuramente il liquido più conosciuto al mondo. Svolge un ruolo cruciale in tutti i processi biologici e in molti processi chimici. Le stesse molecole d'acqua non nascondono quasi segreti. A scuola impariamo che l'acqua è composta da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno. Conosciamo anche il tipico angolo ottuso che le due gambe O-H formano l'una con l'altra. Inoltre, sappiamo quando l'acqua bolle o si congela e come queste transizioni di fase sono legate alla pressione.
Ma tra i fatti sulle singole molecole e una più profonda comprensione dei fenomeni macroscopici, c'è un'ampia area di incertezza:si conoscono solo informazioni statistiche sul comportamento delle singole molecole in normale acqua liquida. Le molecole d'acqua nella fase liquida formano una rete fluttuante di legami idrogeno, disordinata e densa, e le loro interazioni non sono per niente ben comprese come nello stato gassoso.
Acqua liquida pura esaminata
Ora, un team guidato dalla fisica dell'HZB, la dott.ssa Annette Pietzsch, ha esaminato più da vicino l'acqua liquida pura a temperatura ambiente e pressione normale. Utilizzando l'analisi a raggi X presso la sorgente di luce svizzera del Paul Scherrer Institute e la modellazione statistica, gli scienziati sono riusciti a mappare le cosiddette superfici di energia potenziale delle singole molecole d'acqua allo stato fondamentale, che si presentano in un'ampia varietà di forme a seconda del loro ambiente.
Oscillazioni e vibrazioni misurate
"La cosa speciale qui è il metodo:abbiamo studiato le molecole d'acqua sulla linea di luce ADRESS usando lo scattering di raggi X anelastico risonante. In poche parole, abbiamo spinto le singole molecole con molta attenzione e poi abbiamo misurato come sono ricadute nello stato fondamentale", afferma Pietzsch . Le eccitazioni a bassa energia hanno portato a oscillazioni di stiramento e altre vibrazioni, che, combinate con i calcoli del modello, hanno prodotto un quadro dettagliato delle potenziali superfici.
"Questo ci fornisce un metodo per determinare sperimentalmente l'energia di una molecola in funzione della sua struttura", spiega Pietzsch. "I risultati aiutano a chiarire la chimica dell'acqua, ad esempio per capire meglio come si comporta l'acqua come solvente."
I risultati sono stati pubblicati in Proceedings of the National Academy of Sciences .
Prospettive:METRIXS a BESSY II
I prossimi esperimenti sono già programmati presso la sorgente di raggi X BESSY II presso HZB. Lì, Annette Pietzsch e il suo team hanno allestito la stazione di misurazione METRIXS, progettata proprio per studiare campioni liquidi con esperimenti RIXS. "Dopo il fermo estivo dovuto a lavori di manutenzione su BESSY II, inizieremo con i primi test dei nostri strumenti. E poi possiamo andare avanti". + Esplora ulteriormente
