Una delle cose più basilari che ci vengono insegnate nelle lezioni di scienze scolastiche è che l'acqua può esistere in tre diversi stati, sia come ghiaccio solido, acqua liquida, o vapore gassoso. Ma un team internazionale di scienziati ha recentemente scoperto segni che l'acqua liquida potrebbe effettivamente arrivare in due stati diversi.

Scrivendo in un articolo sperimentale, pubblicato in Rivista internazionale di nanotecnologia , i ricercatori sono rimasti sorpresi di scoprire che una serie di proprietà fisiche dell'acqua modificano il loro comportamento tra 50℃ e 60℃. Questo segnale di un potenziale passaggio a un secondo stato liquido potrebbe innescare un'accesa discussione nella comunità scientifica. E, se confermato, potrebbe avere implicazioni per una serie di campi, comprese le nanotecnologie e la biologia.

Stati della materia, dette anche "fasi", sono un concetto chiave nello studio dei sistemi costituiti da atomi e molecole. In parole povere, un sistema formato da molte molecole può essere organizzato in un certo numero di configurazioni a seconda della sua energia totale. A temperature più elevate (e quindi ad energie più elevate), le molecole hanno più configurazioni possibili e quindi sono più disorganizzate e possono muoversi con relativa libertà (fase gassosa). A temperature più basse, le molecole hanno un numero di configurazioni più limitato e formano così una fase più ordinata (un liquido). Se la temperatura scende ulteriormente, si dispongono in una configurazione ben precisa, producendo un solido.

Questa immagine è comune per molecole relativamente semplici come l'anidride carbonica o il metano, che hanno tre chiare, stati diversi (liquido, solido e gas). Ma per molecole più complesse, esiste un numero maggiore di configurazioni possibili e questo dà luogo a più fasi. Una bella illustrazione di ciò è il ricco comportamento dei cristalli liquidi, che sono formati da complesse molecole organiche e possono fluire come liquidi, ma hanno ancora una struttura cristallina solida

Poiché la fase di una sostanza è determinata da come sono configurate le sue molecole, molte proprietà fisiche di quella sostanza cambieranno bruscamente mentre passa da uno stato all'altro. Nel recente documento, i ricercatori hanno misurato diverse proprietà fisiche rivelatrici dell'acqua a temperature comprese tra 0 e 100 ℃ in condizioni atmosferiche normali (il che significa che l'acqua era un liquido). Sorprendentemente, hanno trovato un nodo in proprietà come la tensione superficiale dell'acqua e il suo indice di rifrazione (una misura di come la luce viaggia attraverso di essa) a circa 50℃.

Struttura speciale

Come può essere? La struttura di una molecola d'acqua, H₂O, è molto interessante e può essere raffigurato come una sorta di punta di freccia, con i due atomi di idrogeno che fiancheggiano l'atomo di ossigeno in alto. Gli elettroni nella molecola tendono a distribuirsi in modo piuttosto asimmetrico, rendendo il lato dell'ossigeno carico negativamente rispetto al lato dell'idrogeno. Questa semplice caratteristica strutturale porta a una sorta di interazione tra le molecole d'acqua nota come legame idrogeno, in cui le cariche opposte si attraggono.

Questo conferisce all'acqua proprietà che, in molti casi, rompere le tendenze osservate per altri liquidi semplici. Per esempio, a differenza della maggior parte delle altre sostanze, una massa d'acqua fissa occupa più spazio come solido (ghiaccio) che come (liquido) a causa del modo in cui le molecole formano una specifica struttura regolare. Un altro esempio è la tensione superficiale dell'acqua liquida, che è circa il doppio di quello di altri non polari, più semplice, liquidi.

L'acqua è abbastanza semplice, ma non troppo semplice. Ciò significa che una possibilità per spiegare l'apparente fase extra dell'acqua è che si comporta un po' come un cristallo liquido. I legami idrogeno tra le molecole mantengono un certo ordine a basse temperature, ma alla fine potrebbe volerci un secondo, fase liquida meno ordinata a temperature più elevate. Questo potrebbe spiegare i nodi osservati dai ricercatori nei loro dati.

Se confermato, i risultati degli autori potrebbero avere molte applicazioni. Per esempio, se i cambiamenti nell'ambiente (come la temperatura) causano cambiamenti nelle proprietà fisiche di una sostanza, quindi questo può essere potenzialmente utilizzato per applicazioni di rilevamento. Forse più fondamentalmente, i sistemi biologici sono per lo più costituiti da acqua. Il modo in cui le molecole biologiche (come le proteine) interagiscono tra loro probabilmente dipende dal modo specifico in cui le molecole d'acqua si organizzano per formare una fase liquida. Capire come le molecole d'acqua si dispongono in media a diverse temperature potrebbe far luce sul funzionamento di come interagiscono nei sistemi biologici.

La scoperta è un'entusiasmante opportunità per teorici e sperimentalisti, e un bellissimo esempio di come anche la sostanza più familiare abbia ancora segreti nascosti all'interno.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.