Spiegate le anomalie termodinamiche dell'acqua

Sarà pubblicato domani nell'edizione online di PNAS uno studio italo-americano sulla fisica dell'acqua. Alcune bizzarre proprietà di questo liquido hanno ora una spiegazione. Alla ricerca hanno contribuito INFM-CNR e CNISM dell'Università di Messina.

L'acqua, nelle sue diverse forme, rappresenta una delle sostanze più diffuse e importanti in natura - è fondamentale per i processi biologici così come per i fenomeni meteorologici o la scienza dei materiali - ma sino ad oggi le intriganti anomalie del suo comportamento (per esempio ha densità massima a 4°C e non a 0°C come gli altri liquidi) non avevano ancora avuto spiegazione.

Da una collaborazione tra INFM-CNR e CNISM (Consorzio interuniversitario per le scienze fisiche della materia) dell'Università di Messina coordinati da Francesco Mallamace e il Massachusetts Institute of Technology nasce un innovativo lavoro di ricerca sulle proprietà termodinamiche dell'acqua.

I segreti di questo liquido possono essere svelati solo se prima si comprendono a fondo le variazioni della sua densità con la temperatura e lo studio, che sarà pubblicato domani nell'edizione online di PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences), va proprio in questa direzione mostrando l'esistenza di un massimo nel coefficiente di espansione dell'acqua, il parametro che misura la variazione del volume dell'acqua in relazione alla temperatura del liquido. Questa caratteristica spiega le anomalie termodinamiche dell'acqua e di riflesso consente di comprenderne l'importanza nei processi biologici. Per esempio l’acqua è fondamentale per attivare le funzionalità delle proteine. Infatti la temperatura del massimo individuato durante lo studio coincide con la transizione delle proteine dallo stato inattivo a quello di piena attività dinamica e biologica.

Grazie ai risultati sperimentali ottenuti tramite varie tecniche spettroscopiche nella regione di temperatura -240°C÷100°C, i ricercatori hanno misurato la densità dell'acqua liquida anche a bassissima temperatura. Ciò è stato possibile, soprattutto nella regione tra 0°C e -80°C, confinando molecole di acqua all'interno di nanostrutture tanto “strette” che l'acqua contenuta in esse non può ghiacciare.

I ricercatori sono così riusciti a scoprire in maniera inequivocabile, esperimento mai realizzato finora, l'esistenza di un minimo della densità a circa -73°C. Questa nuova singolarità che si accompagna al ben noto massimo di densità a 4°C ha permesso di spiegare l'origine delle anomalie termodinamiche del liquido. Tali anomalie sono state fino ad oggi un problema scientifico aperto poiché si riscontrano solo nell'acqua e non in altri liquidi.

Lo studio pubblicato su PNAS inoltre smentisce l'ipotesi sinora ritenuta valida che proprietà fisiche importanti quali ad esempio il calore specifico ed il coefficiente di espansione termica dell'acqua crescessero indefinitamente fino a divergere alla temperatura di circa -50°C.

Dall'analisi dei dati di densità ottenuti, i ricercatori di INFM-CNR e del CNISM hanno invece dedotto che le anomalie sono caratterizzate da valori finiti massimi o minimi. In particolare il coefficiente di espansione termica ha un massimo alla temperatura di circa -40°C. I ricercatori hanno infine scoperto che l'origine microscopica delle anomalie dell'acqua è da attribuire al fatto che al di sotto dei 10 °C questo liquido, tramite il legame idrogeno, forma strutture molecolari di più bassa densità se confrontate con quelle dell’intero liquido e tali strutture hanno dimensioni che crescono al diminuire della temperatura.

Scheda

Data articolo: novembre 2007

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