L'acqua, sebbene sia una sostanza comunissima, fonte di vita per ogni essere vivente sul nostro pianeta, presenta un comportamento anomalo rispetto alla maggior parte delle altre sostanze, che tutt'oggi continua ad interessare le ricerche degli scienziati.
Lo studio di Francesco Sciortino, Pablo G. Debenedetti e Gül H. Zerze, pubblicato di recente su Science, potrebbe aiutare a comprendere meglio le proprietà di questa sostanza imprescindibile per la nostra esistenza.
Gli esempi del suo comportamento curioso si evincono dalla quotidianità: l'elevata tensione superficiale permette alla rugiada di formarsi sulle foglie, in quanto le molecole d'acqua si attraggono l'un l'altra permettendo alla superficie di comportarsi come una membrana elastica. Il suo calore specifico è molto elevato, ovvero è necessario molto calore per riscaldarla di un solo grado centigrado. Quando solidifica aumenta di volume, motivo per cui in inverno, nelle case non abitate, è necessario svuotare l'impianto idrico per evitare che le tubature scoppino allo scendere della temperatura sotto lo zero centigrado. L'acqua è, inoltre, maggiormente comprimibile a temperature più basse e, quando congela, può dare origine a ben 17 strutture cristalline differenti, ovvero a 17 tipi di ghiaccio.
In cosa consiste, dunque, lo studio? Si tratta di un lavoro teorico - supportato dal calcolo computazionale - in cui è stato dimostrato che a temperature molto basse l'acqua può esistere in due forme differenti di aggregazione molecolare, caratterizzate da diversa intensità. È stata inoltre scoperta l'esistenza di un secondo punto critico in cui le due forme d'acqua sono indistinguibili.
Anzitutto, va spiegato in cosa consiste il primo punto critico dell'acqua. "Se si riscalda una certa quantità d'acqua in un contenitore chiuso - spiega Silvano Fuso, dottore di ricerca in Scienze Chimiche - quando si raggiunge la temperatura di 374,1 °C, scompare la distinzione tra liquido e vapore e si ottiene un'unica fase, detta critica. La corrispondente pressione raggiunta (218,3 atm) prende il nome di pressione critica. In un grafico cartesiano in cui si riporta la pressione in ordinata e la temperatura in ascissa, i due valori, 374,1 °C e 218,3 atm, individuano un punto del piano che viene chiamato punto critico. In corrispondenza di tali valori di temperatura e pressione, la fase liquida e la fase vapore dell'acqua diventano indistinguibili. La densità che l'acqua assume in queste condizioni si chiama densità critica e vale 0,400 g/cm3".
Attraverso l'impiego di due diversi modelli e metodi di calcolo, i ricercatori hanno identificato i valori di temperatura e pressione che corrispondono al nuovo punto critico: la temperatura è compresa in un intervallo tra circa 190 e 170 gradi K (ovvero tra circa -83 e -103 °C) e la pressione vale circa 2000 atmosfere.
Come spiega Fuso, il gruppo di ricercatori ha effettuato simulazioni teoriche al computer invece di esperimenti di laboratorio, a causa delle varie difficoltà tecniche che non li hanno resi possibili. "In queste simulazioni è stata ipotizzata l'esistenza di due forme d'acqua: una prima forma, a bassa densità, in cui ogni molecola è circondata da altre quattro, disposte ai vertici di un tetraedro. Tra queste molecole agiscono i legami a idrogeno, forze elettrostatiche che si generano tra l'atomo di idrogeno (parzialmente positivo) di una molecola e quello di ossigeno (parzialmente negativo) di un'altra". "Nella seconda forma ad altra densità - continua Fuso - la struttura tetraedrica si presenta invece distorta, e ogni molecola è legata a tre o a cinque altre molecole".
I ricercatori hanno perciò simulato il comportamento delle molecole e le loro possibili aggregazioni attraverso modelli teorici complessi. "La quantità di calcolo richiesta è stata davvero enorme: le equazioni del moto che simulano l'evoluzione delle molecole sono state infatti risolte numericamente per ben cento miliardi di volte di seguito. Nella realtà, tuttavia, i processi che richiedono questa quantità impressionante di calcolo avvengono in tempi brevissimi, dell'ordine dei cento microsecondi. Anche la transizione tra le due forme liquide, infatti, avviene in tempi brevissimi".
Le simulazioni, che per consentire lo svolgimento delle equazioni hanno reso necessario l'utilizzo di computer con una potenza di calcolo notevole, sono state eseguite presso il Princeton Research Computing: un consorzio che comprende, tra gli altri, il Princeton Institute for Computational Science and Engineering (PICSciE) e l'Office of Information Technology High Performance Computing Center e Visualization Laboratory presso la Princeton University.
La ricerca contribuirà ad aumentare la nostra comprensione dell'acqua, con possibili ricadute in molti campi, tra i quali anche la biologia. "Lo studio dei ricercatori di Roma e Princeton può contribuire a intrepretare meglio le insolite proprietà dell'acqua, che, nonostante a volte non ci pensiamo, riguardano anche la nostra vita quotidiana".
Dal problema delle tubature domestiche al nostro scivolamento sul ghiaccio, troviamo una spiegazione a questi fenomeni proprio grazie allo studio delle anomalie dell'acqua. "Quando poniamo un piede su una lastra di ghiaccio, scivoliamo perché la pressione esercitata dalla suola delle nostre scarpe produce una fusione locale del ghiaccio. Questo accade proprio perché, dal momento che il ghiaccio ha una densità inferiore a quella dell'acqua liquida, un aumento di pressione favorisce la fusione". "Di fatto - conclude Fuso - noi non scivoliamo realmente sul ghiaccio, bensì sulla pellicola liquida che si crea tra le suole delle nostre scarpe e il ghiaccio sottostante".
