Per ROBERTO ERAMO, l'ipotesi della doppia struttura dell'acqua è tra le più accreditate dopo la scoperta che quando l'acqua vetrifica si formano due distinti tipi di vetro
Forse a causa dell’importanza dell’acqua nella nostra vita, essa è una delle sostanze più studiate, sia come molecola isolata che come sostanza sotto forma di vapore, liquido o solido. Tuttavia, nonostante l’ormai estesissima letteratura scientifica, la ricerca sull’acqua rimane ad oggi molto attiva, il che può essere considerato un tributo sia alla sua importanza che alla difficoltà nel capirne il comportamento. La molecola d’acqua è formata da un atomo di ossigeno e da due atomi di idrogeno, i tre atomi essendo legati insieme da un “collante” di elettroni noto in chimica come legame covalente. Si tratta di una molecola a forma di V, che è dotata di una distribuzione di carica peculiare: la molecola risulta carica positivamente in prossimità degli atomi di idrogeno (i due estremi della V), negativamente intorno all’atomo di ossigeno (il vertice della V). A causa di questa polarità elettrostatica, caratteristica della propria costituzione, le molecole d’acqua hanno una forte interazione reciproca, formando tra loro “legami a idrogeno”.
Tali legami sono relativamente forti, essendo caratterizzati da un’energia all’incirca 10 volte superiore all’energia termica disponibile a temperatura ambiente. Il legame a idrogeno è la ragione che sta dietro a molte delle proprietà che caratterizzano l’acqua, come il fatto che essa è più densa nel suo stato liquido che in quello solido: il ghiaccio galleggia sull’acqua. Di fatto, grazie a questo legame, viene a formarsi all’interno di una massa di acqua liquida, una struttura spaziale delle molecole più o meno regolare, che ricorda quella di un solido (anche se non regolare come in un cristallo), che però è temporanea, con un tempo di vita che è dell’ordine del picosecondo (ps: 1 ps = 1 millesimo di miliardesimo di secondo). Si parla in questo contesto di rilassamento della struttura liquida, circostanza che può essere messa in evidenza da opportuni esperimenti spettroscopici, in grado di rivelare la natura transiente del fenomeno. L’importanza di queste strutture transienti cresce al diminuire della temperatura, quando il legame a idrogeno diventa sempre più forte rispetto al moto di agitazione termica delle molecole.
In particolare queste strutture hanno una grande importanza nel liquido sottoraffreddato, portato cioè al di sotto della temperatura di congelamento, dove possono lasciare impronte caratteristiche che il nostro lavoro al Laboratorio Europeo di Spettroscopie Nonlineari (LENS) dell’Università di Firenze (oltre all’autore: Andrea Taschin, Paolo Bartolini, Roberto Righini del Dipartimento di Chimica di Firenze, Renato Torre del Dipartimento di Fisica e Astronomia di Firenze, ndr) è riuscito a rendere evidenti. I risultati sono riportati nell’articolo “Evidence of two distinct local structures of water from ambient to supercooled conditions” (Nature Communications, 13 settembre 2013).
La tecnica sperimentale impiegata è nota come spettroscopia a effetto Kerr risolta nel tempo. In poche parole, si tratta di un esperimento in cui un impulso laser, estremamente rapido, passa attraverso il campione, perturbandone la struttura. Un secondo impulso laser, altrettanto rapido, viene quindi inviato sullo stesso percorso del primo, per sondare la perturbazione residua del campione. Variando l’intervallo di tempo tra i due impulsi, quello che crea l’eccitazione e quello che la sonda, si può studiare l’evoluzione della risposta del campione nel tempo e ottenere importanti informazioni sia sulle frequenze a cui avvengono le eccitazioni del campione sia sul modo in cui tali eccitazioni decadono. L’apparato sperimentale è stato messo a punto dagli stessi ricercatori coinvolti nel lavoro e ha richiesto circa un anno di sviluppo. Il sistema è stato progettato proprio allo scopo di poter fare una buona misura del segnale che proviene dall’acqua, che è piuttosto debole rispetto ad altri liquidi. Con tale apparato, abbiamo studiato la dinamica di vibrazione e di rilassamento di acqua sottoraffreddata (siamo arrivati ad una temperatura di 28 gradi sotto lo zero, senza che i campioni congelassero).
Con un analisi dei dati approfondita abbiamo caratterizzato i modi di vibrazione intermolecolare e gli effetti connessi al rilassamento strutturale, mettendo in evidenza una coesistenza di due tipi diversi di configurazioni locali, che possono essere interpretate come due forme di acqua dotate di diversa densità e regolarità della distribuzione spaziale: una forma simile al ghiaccio, meno densa e più ordinata, e una forma meno ordinata e più densa, che è quella comune dell’acqua a temperatura ambiente. Al diminuire della temperatura l’acqua di bassa densità diviene sempre più importante. È da quindici anni che l’ipotesi della doppia struttura dell’acqua è tra le più accreditate, dopo che alcuni scienziati avevano scoperto che, a temperature bassissime, quando l’acqua vetrifica, si formano due distinti tipi di vetro, uno di bassa e l’atro di alta densità. In un articolo teorico apparso su Nature nel 1992 Poole e collaboratori parlano per la prima volta di un punto critico liquido-liquido (teoria LLCP), i due liquidi essendo due forme dell’acqua, una di bassa densità caratterizzata da un coordinamento tra le molecole di tipo tetraedrico, e una di alta densità, caratterizzata da una struttura più compatta e disordinata. In lavori teorici apparsi di recente i fenomeni anomali dell’acqua sono stati interpretati in un quadro alternativo alla teoria LLCP, come fenomeni di non equilibrio associati alla transizione liquido-cristallo.
Si tratta quindi di un dibattito ancora piuttosto aperto tra i teorici, ed ogni nuova evidenza di tipo sperimentale e’ accolta con particolare interesse. L’importanza del lavoro consiste nell’aver trovato una sorta di impronta caratteristica di due diverse forme di organizzazione delle molecole di acqua nello stato liquido. Particolare importante è che tale evidenza è stata ottenuta con campioni macroscopici di acqua, e inoltre aver dimostrato la presenza della componente di bassa densità fino a temperature relativamente alte: dunque anche a temperature prossime a quella ambiente l’acqua conserva una parte di struttura che è acqua “ordinata”, simile al ghiaccio come struttura, e meno densa del normale. La forma dell’acqua non è in definitiva soltanto quella del contenitore, come nel romanzo di Andrea Camilleri.
