Non c’è dubbio che l’acqua sia significativa. Senza di essa, la vita non sarebbe mai iniziata, e tanto meno sarebbe continuata oggi, per non parlare del suo ruolo nell'ambiente stesso, con gli oceani che coprono oltre il 70% della Terra.
Ma nonostante la sua ubiquità, l’acqua liquida presenta alcune complessità elettroniche che da tempo lasciano perplessi gli scienziati di chimica, fisica e tecnologia. Ad esempio, l'affinità elettronica, cioè la stabilizzazione energetica subita da un elettrone libero quando viene catturato dall'acqua, è rimasta poco caratterizzata da un punto di vista sperimentale.
Perfino la teoria odierna della struttura elettronica più accurata non è stata in grado di chiarire il quadro, il che significa che importanti quantità fisiche come l'energia alla quale gli elettroni provenienti da fonti esterne possono essere iniettati nell'acqua liquida rimangono sfuggenti. Queste proprietà sono cruciali per comprendere il comportamento degli elettroni nell'acqua e potrebbero svolgere un ruolo nei sistemi biologici, nei cicli ambientali e nelle applicazioni tecnologiche come la conversione dell'energia solare.
In uno studio recente, i ricercatori dell’EPFL Alexey Tal, Thomas Bischoff e Alfredo Pasquarello hanno fatto passi da gigante nel decifrare il puzzle. Il loro studio, pubblicato in Proceedings of the National Academy of Sciences , affronta la struttura elettronica dell'acqua utilizzando metodi computazionali che vanno oltre gli approcci più avanzati di oggi.
I ricercatori hanno studiato l’acqua utilizzando un metodo basato sulla “teoria delle perturbazioni a molti corpi”. Si tratta di un quadro matematico complesso utilizzato per studiare le interazioni di più particelle all'interno di un sistema, come gli elettroni in un solido o in una molecola, esplorando come queste particelle influenzano il comportamento reciproco, non isolatamente ma come parte di un gruppo interagente più ampio.
In parole povere, la teoria delle perturbazioni a molti corpi è un modo per calcolare e prevedere le proprietà di un sistema a molte particelle tenendo conto di tutte le complesse interazioni tra i suoi componenti.
Ma i fisici hanno modificato la teoria con "correzioni dei vertici":modifiche nella teoria delle perturbazioni a molti corpi che tengono conto delle complesse interazioni tra le particelle oltre le approssimazioni più semplici.
Le correzioni dei vertici perfezionano la teoria tenendo conto di come queste interazioni influenzano i livelli energetici delle particelle, ad esempio la loro risposta ai campi esterni o la loro autoenergia. In breve, le correzioni dei vertici portano a previsioni più accurate delle proprietà fisiche in un sistema a molte particelle.
La modellazione dell’acqua liquida è particolarmente impegnativa. Una molecola d’acqua contiene un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno, e sia il loro movimento termico che la natura quantistica dei loro nuclei giocano un ruolo chiave. Tenendo conto di questi aspetti, i ricercatori hanno determinato accuratamente le proprietà elettroniche dell'acqua, come il potenziale di ionizzazione, l'affinità elettronica e il gap di banda. Questi risultati sono essenziali per comprendere come l'acqua interagisce con la luce e altre sostanze a livello elettronico.
"Il nostro studio sui livelli energetici dell'acqua concilia la teoria di alto livello con l'esperimento", afferma Alfredo Pasquarello. Alexey Tal sottolinea ulteriormente l'importanza della nuova metodologia:"Grazie alla descrizione avanzata della struttura elettronica, siamo stati anche in grado di produrre uno spettro di assorbimento accurato."
I risultati hanno ulteriori implicazioni. Gli sviluppi teorici applicati dal team dell'EPFL gettano le basi per un nuovo standard universalmente applicabile per ottenere strutture elettroniche precise dei materiali. Ciò fornisce uno strumento altamente predittivo che potrebbe potenzialmente rivoluzionare la nostra comprensione fondamentale delle proprietà elettroniche nella scienza della materia condensata, con applicazioni nella ricerca di proprietà dei materiali con funzionalità elettroniche specifiche.
Ulteriori informazioni: Tal, Alexey et al, Livelli energetici assoluti dell'acqua liquida dalla teoria delle perturbazioni a molti corpi con efficaci correzioni dei vertici, Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2311472121. doi.org/10.1073/pnas.2311472121
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
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