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Per la prima volta, i fisici hanno osservato una proprietà quantistica che rende l’acqua così particolare

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L’acqua, il liquido più comune, quello che ci fa vivere, è anche il più “strano” dell’Universo. Un gruppo di ricerca dello SLAC National Accelerator Laboratory, della Stanford University (Usa) e della Stockholm University (Svezia) ha “visto” per la prima volta come le molecole acqua si muovono l’una vicino all’altra, riuscendo ad inquadrare l’affascinante meccanismo dei legami idrogeno.

L’acqua è una molecola formata da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno (H2O) e per la sua particolare struttura forma dei legami molecola-molecola molto forti, molto più forti di altri legami tra molecole di tipo diverso, chiamati ‘legami idrogeno’. Questi atomi infatti si pongono “a ponte” creando una fitta rete di molecole quando l’acqua è allo stato liquido. Questo meccanismo, a livello microscopico, è dovuto alla diversa densità elettronica di ossigeno e idrogeno.

L’ossigeno infatti è il secondo elemento più elettronegativo del sistema periodico, ovvero ha una capacità elevatissima di attirare a sé elettroni. Al contrario l’idrogeno ha una “forza attrattiva” molto più bassa e quindi nella molecola d’acqua si forma una sorta di “sbilanciamento” per cui una sola H2O, pur neutra, è una calamita con un polo positivo (gli atomi di idrogeno) e uno negativo (l’atomo di ossigeno). Tecnicamente si dice infatti che l’acqua è una molecola polare. La rete è dunque formata dalle attrazioni parte positiva-parte negativa.

E – sembra incredibile a dirsi – ma è proprio questa struttura ad aver generato e garantire la vita sulla Terra. Infatti, quando l’acqua diventa solida, quindi si forma il ghiaccio, le molecole sono molto meno libere di muoversi, ma per mantenere comunque un po’ “vivo” il legame idrogeno si allontanano, provocando l’aumento di volume del sistema.

Per questo che il ghiaccio galleggia sull’acqua, avendo una densità più bassa, e per questo la vita acquatica si è potuta sviluppare ed evolvere. Ma la cosa ancora più incredibile è che questo comportamento è davvero unico nel suo genere, perché normalmente i solidi sono più “concentrati” e quindi più densi (occhio però a mettere bottiglie d’acqua in freezer, perché questo comportamento straordinario dell’acqua fa anche esplodere il vetro se l’acqua all’interno si ghiaccia).

Oggi i ricercatori hanno “visto” tutto questo, che in realtà è un fenomeno quantistico. In particolare hanno effettuato la prima osservazione diretta di come gli atomi di idrogeno nelle molecole d’acqua tirano e spingono quelle vicine quando sono eccitati dalla luce laser.

legami idrogeno acqua

©Stanford University

Questi risultati rivelano effetti che potrebbero essere alla base di aspetti chiave dell’origine microscopica dell’acqua e potrebbero portare a una migliore comprensione di come questa aiuti le proteine ​​a svolgere le loro funzioni negli organismi viventi.

Anche se è stato già ipotizzato come questo cosiddetto effetto quantistico nucleare sia al centro di molte delle strane proprietà dell’acqua, questo esperimento segna la prima volta in cui questo è stato osservato direttamente – commenta Anders Nilsson, coautore del lavoro  – Ci domandiamo ora se questo effetto quantistico possa essere l’anello mancante nei modelli teorici che descrivono le proprietà anomale dell’acqua.

Dal punto di vista sperimentale, il team ha creato getti di acqua liquida dello spessore di 100 nanometri (circa 1.000 volte più sottili della larghezza di un capello umano) e ha fatto vibrare le molecole d’acqua con la luce laser a infrarossi. Quindi ha fatto “esplodere” le molecole con brevi impulsi di elettroni ad alta energia.

Ciò ha generato istantanee ad alta risoluzione della mutevole struttura atomica delle molecole che, messe insieme, hanno dato vita a un film che racconta come la rete ha risposto alla luce. Il film della vita.

Il lavoro è stato pubblicato su Nature.

Fonti di riferimento: Stanford University / Nature

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Roberta De Carolis ha una laurea e un dottorato in Chimica, e ha conseguito un Master in comunicazione scientifica. Giornalista pubblicista, scrive per GreenMe dal 2010.
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