Congelamento Acqua a temperature senza precedenti per scoprire misteri su composizione

Fin dai primi cicli didattici viene solitamente insegnato il ciclo dell’acqua, come precedente per lo studio successivo degli stati della materia nella scienza, sempre inquadrato all’interno di contesti convenzionali.

A causa delle peculiarità dell’acqua, non ancora del tutto risolte dalla comunità scientifica, a temperature notevolmente inferiori al punto di congelamento di questo elemento, il suo comportamento ha aperto la strada a rivelare nuove informazioni sulla sua composizione.

I segreti dell’acqua sono evidenziati dal suo stato super-raffreddato

L’acqua sfugge alla logica di altri fluidi. È più denso nel suo stato liquido che nella sua presentazione solida. Che un ghiaccio possa galleggiare sull’acqua ne è la prova, facile da brevettare alla vista. Tuttavia, lo sfondo di questo fenomeno è stato oggetto di ricerca per decenni.

Nel 2020, un team di scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ha iniziato un’indagine per approssimare la comprensione di questo fenomeno. In un gesto senza precedenti, sono riusciti a raffreddare l’acqua a temperature comprese tra -47,6 °C (190 K) e -7,3 °C (245 K), grazie all’utilizzo di una nuova tecnica di raffreddamento laser che ha rivelato i cambiamenti su scala nanometrica che l’acqua subisce acqua liquida quando è sottoraffreddata.

“L’acqua è uno dei solventi più importanti che abbiamo”, ha affermato Greg Kimmel, fisico chimico del PNNL, in una conversazione con l’istituzione: “Stiamo cercando di capire meglio come si comporta l’acqua alle interfacce, nel confinamento e nelle soluzioni, come si condensa e si cristallizza, e così via”.

“Quando la temperatura si abbassa, la maggior parte delle molecole liquide si impacchetta molto strettamente e sono molto dense. Ma sotto i 39 °F, l’acqua è esattamente l’opposto”, ha spiegato Loni Kringle, che ha lavorato alla ricerca come ricercatore post-dottorato: “Le molecole d’acqua formano legami tetraedrici che occupano molto spazio. Quando l’acqua si raffredda, si espande e diminuisce di densità”

Sebbene esistessero teorie sui cambiamenti strutturali reversibili a cui l’acqua è esposta prima di cristallizzare nello stesso intervallo di temperatura utilizzato nell’esperimento, non c’erano relazioni empiriche al riguardo.

“Quell’intervallo di temperatura è molto difficile da raggiungere e controllare sperimentalmente, e questo è ciò che la tecnica di riscaldamento pulsato ha superato”, ha detto Kringle, che ha lavorato agli esperimenti e all’analisi dei dati con un altro ricercatore post-dottorato, Wyatt Thornley.

In uno stato super-raffreddato, l’acqua in forma liquida, rimanendo al di sotto di livelli notevolmente inferiori al normale punto di congelamento, perde stabilità. Questa condizione è chiamata stato metastabile, poiché la sua struttura non cambia, diventa solo sbilanciata.

Attraverso questa ricerca, gli scienziati utilizzano l’intervento della loro tecnologia laser per misurare la velocità con cui l’acqua si cristallizza e si diffonde.

Un primo anticipo, riportato attraverso la rivista Science nel settembre 2020, ha delineato i primi dati raccolti, facendo una similitudine tra le escursioni termiche dell’esperimento e i livelli di freddo percepibili oltre l’atmosfera terrestre.

Un secondo rapporto, pubblicato ad aprile dalla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, ha fornito un’analisi approfondita dei cambiamenti strutturali, oltre a concentrarsi solo sul lavoro di ricerca qualitativa.

Attualmente, il lavoro continua, alla ricerca di dati più profondi che sono ancora un mistero sull’acqua e sui suoi stati meno tradizionali.

Riportando gli ultimi progressi in questa ricerca, il PNNL ha evidenziato l’importanza di conoscere questi nuovi aspetti dell’acqua, in quanto possono implicare un impatto importante sulla comprensione dei cambiamenti climatici e di alcuni processi biologici e fisici correlati, nello sviluppo ottimizzato di sostanze chimiche per energia e processi nucleari e persino nuovi farmaci.