03:31 04 Dicembre 2020
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Poiché è fondamentale per l'esistenza della vita, l'acqua è uno degli elementi della natura più studiati dagli scienziati, tuttavia, nonostante i tanti esperimenti, continua ancora a sorprendere.

In uno studio pubblicato questo giovedì sulla rinomata rivista specializzata Science, un team internazionale di ricercatori ha presentato le prove che l’acqua, pur se in certe particolari condizioni e per periodi transitori, può esistere contemporaneamente in due differenti forme liquide. Una scoperta che presenta le prove che l'acqua può assumere stati liquidi anche differenti da quelli che conosciamo e potrebbe aprire a nuove frontiere nello studio della fisica di questo elemento base.

Uno degli autori dell'articolo, Nicolas Giovambattista, professore al Dipartimento di Fisica del CUNY Graduate Center di New York, ha spiegato che la possibilità che l'acqua potesse esistesse in due stati liquidi distinti era stata proposta già circa 30 anni fa, ma non se ne era mai data prova sperimentale.

"Questa ipotesi controintuitiva è diventata una delle questioni più importanti nella chimica e nella fisica dell'acqua. Questo perché gli esperimenti che potevano accedere ai due stati liquidi dell'acqua erano molto impegnativi a causa della formazione apparentemente inevitabile di ghiaccio a bassa temperatura dove l'acqua può presentare, contemporaneamente, i due stati liquidi", ha detto lo scienziato in un comunicato.

Il comune stato liquido dell'acqua si verifica quando non è né troppo fredda né troppo calda, dato che, come noto, solidifica sotto lo zero diventando ghiaccio e passa allo stato gassoso con l’ebollizione a 100 gradi.

Ciò che lo studio pubblicato su Science ha mostrato è che l’acqua si divide in due stati liquidi tra loro differenti se la sua temperatura viene portata a circa -63 °C pur non lasciandola congelare. In queste circostanze, l’acqua avrà uno stato liquido ad alta densità e uno a bassa densità, come se fossero due liquidi completamente diversi e rimangono separati da uno strato molto sottile che riunisce le due proprietà. In pratica come quando si mette dell’olio in un bicchiere d’acqua o viceversa.

Ma come è possibile che l’acqua a -63 °C possa essere liquida?

È possibile aumentando la pressione (l'acqua congela sì a 0 °C ma solo se si trova a pressione atmosferica) oppure sfruttando il fenomeno della sopraffusione. Il fenomeno dell'acqua sopraffusa si verifica a causa delle dimensioni delle gocce d'acqua: una goccia che sia molto piccola ha la proprietà di avere una tensione superficiale tale da non farla ghiacciare. Altre condizioni da rispettare affinché il fenomeno avvenga sono la purezza dell'acqua, che deve quindi essere priva di sali, e il raffreddamento, che deve avvenire in uno stato di quiete. L'acqua sopraffusa è una condizione estremamente instabile e ha la proprietà di solidificare a contatto con altri oggetti come pure le vibrazioni possono portare alla solidificazione immediata come si può vedere nell’esperimento di questo video dove viene eseguito quello che in scienza viene chiamato ‘gelicidio’ (acqua sopraffusa che congela istantaneamente al variare delle condizioni del suo stato di quiete):

Già nel 2017 un team internazionale di 16 ricercatori, fra i quali Marco Potenza, dell’Università degli Studi di Milano, era riuscito a mantenere l'acqua allo stato liquido in laboratorio a temperature record, ben -42,55 °C. Lo studio era stato pubblicato su Physical Review Letters, e lo stesso Potenza in un’intervista per Focus ebbe a dire:

“sotto i -45 °C c'è una barriera oltre la quale i modelli teorici sono del tutto inefficaci: se la superassimo, potremmo forse assistere a nuovi fenomeni fisici”.

Questo è appunto quello che è riuscito a fare in questo nuovo studio il team guidato da Anders Nilsson, professore di fisicochimica all'Università di Stoccolma, conducendo una serie di esperimenti nientemeno che su un acceleratore di particelle e simulazioni al computer. "Siamo stati in grado di eseguire una radiografia in modo incredibilmente veloce prima che l'acqua si congelasse e abbiamo potuto vedere come un liquido si trasforma in un altro", descrive Nilsson, in un testo rilasciato dall'istituzione in cui lavora.

Gli autori di questo studio, pubblicato su Science con il titolo “Osservazione sperimentale della transizione liquido-liquido in acqua superraffreddata in massa sotto pressione”, ritengono che la conferma di questa proprietà dell'acqua - che può esistere in due stati liquidi contemporaneamente - dovrebbe consentire diverse applicazioni scientifiche.

"Rimane una questione aperta su come la presenza di due liquidi possa influenzare le soluzioni acquose in generale e, in particolare, come due liquidi possano influenzare le biomolecole in ambienti acquosi. Questa scoperta motiverà ulteriori studi alla ricerca delle sue potenziali applicazioni", ha concluso il professor Giovambattista.

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