Cluster dell'Acqua: Panoramica

Platone pensava che l'acqua potesse essere rappresentata da un icosaedro
Lo penso anche io. Leggete e decidete se possiamo avere ragione

di Martin Chaplin

E' chiaro che la vita sulla Terra dipende dalla insolita struttura e natura anomala http://www.lsbu.ac.uk/water/anmlies.html dell'acqua liquida. Gli organismi consistono soprattutto in acqua liquida. Quest'acqua esegue molte funzioni e non può essere considerata semplicemente un diluente inerte; essa trasporta, lubrifica, reagisce, stabilizza, segnala, struttura e partiziona. Il mondo vivente dovrebbe essere visto come una collaborazione bilanciata ta le molecole biologiche e l'acqua. Nonostante molto lavoro, molte proprietà dell'acqua sono misteriose. L'illuminazione viene dalla comprensione che le molecole d'acqua formano una rete di legami d'idrogeno infinita con raggruppamenti locali e strutturati (1866 http://www.lsbu.ac.uk/water/ref19.html#r1866 ). La forza mediocre dei legami di idrogeno sembra ideale per i processi vitali, essendo formati con facilità e non difficili da rompere. Un concetto importante, spesso sorvolato, è che l'acqua liquida non è omogenea a livello nanoscopico (993 http://www.lsbu.ac.uk/water/ref10.html#r993 ).

Piccoli cluster (gruppi) di quattro molecole d'acqua possono unirsi per formare biciclo-ottameri molecolari. La disposizione molecolare (A) avviene anche nel ghiaccio-sette http://www.lsbu.ac.uk/water/ice_vii.html ad alta densità dove, con inclinazione relativa di 60°, (B) si trova nel ghiaccio esagonale http://www.lsbu.ac.uk/water/ice1h.html a bassa densità; (vedere l'immagine animata, 129 kb http://www.lsbu.ac.uk/water/oct.html ). Strutture simili ad A hanno numeri maggiori di 3-idrogeno legato e 5 molecole d'acqua coordinate si trovano a temperature superiori nell'acqua liquida, dove le strutture simili a B hanno numeri maggiori di 4-idrogeno legato e 4 molecole d'acqua coordinate come troviamo a temperature inferiori nell'acqua liquida (1773 http://www.lsbu.ac.uk/water/ref18.html#r1773 ). Tali equilibri sono bilanciati per l'esistenza di due minimi nell'energia potenziale (U), separazione molecolare (r) nel diagramma sottostante, che mostra l'approccio dell'acqua.

Questa competizione tra il massimizzare le interazioni di van-der Waals (A, porta maggior entropia, maggior densità e energie leganti acqua-acqua individualmente deboli, ma più numerose) e il massimizzare il legame d'idrogeno (B, porta più ordine nella struttura, minor densità e minori, ma più forti energie di legame acqua-acqua), è finemente bilanciata, facilmente spostata in condizioni, soluti e superfici fisiche alterate. La barriera energetica potenziale tra questi stati (vedi sotto a sinistra) assicura che le molecole d'acqua preferiscano la struttura A o B con poca spesa di tempo su strutture intermedie. Una molecola individuale di acqua può essere nello stato A rispetto ad alcune vicine, mentre si trova nello stato B rispetto ad altre (per esempio nel [link=http://www.lsbu.ac.uk/water/ice_vii.html ]ghiaccio-sette[/link]).
Sicuramente, recenti simulazioni che hanno usato le interazioni van der Waals ab initio, supportano questo meccanismo per la densità delle fluttuazioni nell'acqua liquida (1756 http://www.lsbu.ac.uk/water/ref18.html#r1756 ). Il minimo superficiale (a), dovuto a interazioni non-legate, si trova fino al 20% nel profondo minimo (b), a causa del legame d'idrogeno http://www.lsbu.ac.uk/water/hbond.html (anche permettendo un approccio più stretto del 15% di molecole d'acqua individuali legate dall'idrogeno). In termini spaziali, il minimo (a) è molto più esteso in quanto il minimo (b) è ristretto nella sua geometria, essendo altamente direzionale. A temperature e pressioni inferiori (in particolare sotto la temperatura della massima densità http://www.lsbu.ac.uk/water/explan2.html#density ), la struttura meno densa con un legame d'idrogeno più esteso nel minimo inferiore (b) sarà preferita anche se coinvolge una struttura più ordinata (entropia minore). A temperature superiori, dominano le interazioni non-legate e questo causa la rottura dei raggruppamenti (figura ispirata da 16 http://www.lsbu.ac.uk/water/ref.html#r16 ).

Il legame d'idrogeno, anche se coesivo in natura, così mantiene divise le molecole d'acqua. E' il conflitto tra questi due effetti e il come variano con le condizioni, che dona all'acqua molte delle sue insolite proprietà. Questi biciclo-ottameri possono raggrupparsi ulteriormente http://www.lsbu.ac.uk/water/icosahedra.html#octas , con solo sè stessi, per formare gruppi in acqua di 280 molecole,icosaedrici e altamente simmetrici, che sono in grado di collegarsi e tassellare in tutto lo spazio. Una miscela di pentameri e triciclo-decameri d'acqua http://www.lsbu.ac.uk/water/icosahedra.html può risultare nello stesso raggruppamento.

Le durate dei cluster e dei legami d'idrogeno sono indipendenti

L'animazione serve per aiutare nella comprensione del come le durate dei cluster siano indipendenti dalla durata dei legami singoli. L'animazione mostra una rappresentazione bidimensionale di un fenomeno tridimensionale. I veri cluster di molecole d'acqua non sono rappresentati. Si suppone (opposto) che i cluster a stella (in giallo) possano riformarsi attorno a strutture chiave (i rombi, a volte rossi, ma oligomeri ad anello chiuso di H2O nell'acqua). Per ogni cluster, poche unità si muoveranno per rompere il cluster esistente e favorire la creazione di un nuovo cluster. Questi nuovi cluster sono identici a quelli vecchi, ma contengono solo una proporzione dell'unità. I cluster possono riformarsi attorno ad ognuna delle braccia della stella. Esiste una similarità, in principio, con il gioco “life” di John Conway (b) http://www.bitstorm.org/gameoflife/ nella persistenza di alcune delle sue strutture (1609 http://www.lsbu.ac.uk/water/ref17.html#r1609 ).

Cluster d'acqua icosaedrici

Tale rete auto-replicante e fluttuante delle molecole d'acqua, con simmetria icosaedrica localizzata e sovrapposta http://www.lsbu.ac.uk/water/icosahedra.html , è stata inizialmente proposta come esistente nell'acqua liquida nel 1998 (55 http://www.lsbu.ac.uk/water/ref.html#r55 ) e la struttura è stata in seguito trovata indipendentemente con la diffrazione a raggi-X, nelle nanogoccie d'acqua nel 2001 (417 http://www.lsbu.ac.uk/water/ref5.html#r417 ). I cluster formati possono convertirsi tra forme di minor e maggior densità tramite la piegatura, ma non rottura, dei legami di idrogeno. La strutturazione può anche mutare tra cluster statisticamente e topograficamente equivalenti, ma coinvolgendo differenti molecole con lo spostamento dei centri dei loro cluster.

Con l'incremento della temperatura, aumenta la dimensione media dei cluster, l'integrità e la proporzione dei cluster nella forma di bassa densità decrementano. Questa strutturazione rende possibile la spiegazione di molte delle proprietà anomale dell'acqua, incluso il suo comportamento di temperatura-densità http://www.lsbu.ac.uk/water/explan2.html#density e pressione-viscosità http://www.lsbu.ac.uk/water/explan5.html#Pvisc , la distribuzione radiale http://www.lsbu.ac.uk/water/evidnc.html#Fig1 , la presenza di pentameri ed esameri ciclici, la modifica delle proprietà con super-raffreddamento (a) http://www.lsbu.ac.uk/water/abstrct.html#a e le proprietà di solvatazione e idratazione di ioni http://www.lsbu.ac.uk/water/hofmeist.html , molecole idrofobiche http://www.lsbu.ac.uk/water/phobic.html , carboidrati http://www.lsbu.ac.uk/water/inos.html e macromolecole http://www.lsbu.ac.uk/water/protein.html Troverete qui descritto un modello strutturale a “doppio-stato” sul quale grandi molecole possono essere mappate per offrire comprensione sulle loro interazioni.

Note

a- Con la caduta della temperatura dell'acqua superfredda sotto gli 0° C, la densità, l'auto-diffusione, la conduttività termica, l'entalpia e l'entropia diminuiscono tutte, mentre la compressibilità, la viscosità, la convezione termica, il calore specifico (Cp) e la solubilità del gas aumentano. Con l'aumento della pressione sull'acqua superfredda, la viscosità e il punto di congelamento diminuiscono, mentre l'entropia e l'auto-diffusione incrementano.

b- Game of Life si “gioca” su una griglia bidimensionale infinita di quadrati, ognuno dei quali è uno di due possibili stati, vivo o morto. Ogni cellula interagisce con le otto adiacenti usando quattro regole:

1. Ogni cellula viva con meno di due vicine vive, muore, come a causa della sottopopolazione.
2. Ogni cellula viva con due o tre vicine vive, sopravvive alla generazione seguente.
3. Ogni cellula viva con più di tre vicine vive, muore, come per affollamento.
4. Ogni cellula morta con tre vicine vive, diviene una cellula viva, come per riproduzione.

Tradotto da Richard per Altrogiornale.org
Fonte: http://www.lsbu.ac.uk/water/abstrct.html

Cluster dell'Acqua: Panoramica ultima modifica: 2012-08-26T19:11:02+00:00 da Richard
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Richard

Noi siamo l'incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all'autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)