Perchè l'acqua è così strana

Il Giornale Online
3 Febbraio 2010
di Edwin Cartlidge

Ci confrontiamo con molti misteri, dalla natura della materia oscura e l'origine dell'universo alla sfida per la teoria del tutto. Questi sono tutti puzzle sulla grande scala, ma potete osservare un altro mistero del mondo fisico, ugualmente sconcertante, nel comfort della vostra cucina. Riempite semplicemente un alto bicchiere con acqua fredda, metteteci un cubetto di ghiaccio e lasciate stare.

Il fatto che il cubo di ghiaccio galleggi è la prima stranezza. Il mistero si infittisce se prendete un termometro e misurate la temperatura dell'acqua a varie profondità. Sopra, vicino al cubo di ghiaccio, la troverete attorno a 0°C, ma nel fondo dovrebbe essere attorno ai 4°C. Questo è perchè l'acqua è più densa a 4°C che in altre temperature, altro strano tratto che la divide dagli altri liquidi.
Le strane proprietà dell'acqua non si fermano qua (vedi http://www.newscientist.com/article/dn18473-the-many-mysteries-of-water.html ) e alcune sono essenziali per la vita. Dato che il ghiaccio è meno denso dell'acqua e l'acqua è meno densa nel suo punto di congelamento rispetto a quando è leggermente più calda, si ghiaccia da sopra a sotto piuttosto che da sotto a sopra. Quindi persino durante le ere glaciali, la vita ha continuato ad esistere nei fondali dei laghi e nel profondo oceano. L'acqua ha anche la straordinaria capacità di assorbire calore e questo aiuta a smorzare i cambiamenti climatici che altrimenti potrebbero devastare gli ecosistemi.

Nonostante la grande importanza dell'acqua per la vita, nessuna teoria è riuscita a spiegare in modo soddisfacente le sue proprietà misteriose, fino ad ora. Se possiamo credere al fisico Anders Nilsson della Stanford University e a Lars Pettersson della Stockholm University, in Svezia e ai loro colleghi, potremmo almeno arrivare a capire molte di queste anomalie.
Le loro idee controverse si espandono su una teoria proposta più di un secolo fa da Wilhelm Roentgen, lo scopritore dei raggi-X, che affermò che le molecole nell'acqua liquida si raggruppano non solo in un modo, come direbbero i testi di oggi, ma in due modi fondamentalmente diversi.

La chiave per capire i misteri dell'acqua è il modo in cui le sue molecole, composte da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, interagiscono fra loro. L'atomo d'ossigeno ha una carica leggermente negativa mentre gli atomi di idrogeno condividono una carica positiva compensante. Gli atomi di idrogeno e ossigeno di molecole vicine quindi si attraggono, formando il legame a idrogeno.
I legami a idrogeno sono molto più deboli dei legami che uniscono gli atomi nelle molecole e quindi si rompono e si riformano continuamente, ma sono nella loro massima forza quando le molecole sono disposte in modo che il legame a idrogeno sia allineato con un legame molecolare. La forma di una molecola d'acqua è tale che ogni molecola H2O è circondata da quattro vicine disposte nella forma di una piramide triangolare, conosciuta meglio come tetraedro.
Almeno, questo è il modo in cui le molecole si dispongono nel ghiaccio. Secondo la visione convenzionale, l'acqua liquida ha una simile, seppur meno rigida, struttura, in cui molecole extra si possono unire in alcune aperture nella disposizione tetraedrica. Questo spiega perchè l'acqua liquida è meno densa del ghiaccio e sembra combaciare con i risultati di vari esperimenti in cui fasci di raggi-X, luce infrarossa e neutroni vengono inviati a campioni d'acqua. Vero, alcuni fisici hanno affermato che l'acqua in certe condizioni estreme può separarsi in due strutture diverse (vedi http://www.newscientist.com/article/mg20527466.200-the-strangest-liquid-why-water-is-so-weird.html?full=true#bx274662B2 ), ma molti hanno ipotizzato che mantenga una singola struttura in condizioni normali.

Quindi, 10 anni fa, una scoperta casuale di Pettersson e Nilsson ha richiamato questa immagine. Stavano usando la spettroscopia ad assorbimento di raggi-X per studiare l'amminoacido glicina. I picchi nello spettro di assorbimento dei raggi-X possono fare luce sulla natura precisa dei legami chimici della sostanza sotto studio e quindi sulla sua struttura. Cosa importante, i ricercatori si sono impadroniti di una nuova fonte di potenti raggi -X con cui possono fare misurazioni più sensibili e accurate rispetto al passato. Hanno presto realizzato che l'acqua contenente il loro campione di glicina stava producendo uno spettro molto più interessante dell'amminoacido. “Quello che abbiamo visto era sensazionale”, ricorda Nilsson, “quindi siamo andati a fondo”.

Implicazioni drammatiche

La caratteristica che ha stimolato il loro interesse fu un picco nello spettro di assorbimento non predetto dal modello tradizionale dell'acqua liquida. Infatti, in un documento pubblicato nel 2004 conclusero che in ogni dato momento l'85% dei legami a idrogeno nell'acqua devono essere indeboliti o rotti, molto più del 10% predetto dal modello dei libri di testo (Science, vol 304, p 995 http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/304/5673/995 ).
Le implicazioni di questa scoperta sono enormi: questo suggerisce che è necessaria una revisione totale della struttura dell'acqua. Quindi Nilsson e Pettersson hanno eseguito altri esperimenti con i raggi-X per confermare le loro affermazioni. La loro prima mossa è stata richiedere aiuto a Shik Shin dell'Università di Tokyo, in Giappone, che si è specializzato in una tecnica chiamata spettroscopia ad emissione di raggi-X. Il punto chiave di questo spettro è che più sono corte le lunghezze d'onda dei raggi-X nello spettro di emissione di una sostanza e più deve essere debole il legame a idrogeno.

Il team ha colpito l'oro: lo spettro dei raggi-X includeva due picchi che dovevano corrispondere a due strutture separate. La punta della lunghezza d'onda maggiore dei raggi-X, sostennero i ricercatori, indicava la proporzione delle molecole disposte a tetraedro, mentre il picco della lunghezza d'onda minore rifletteva la proporzione delle molecole disordinate.
Cosa importante, il picco della lunghezza d'onda più corta nelle emissioni di raggi-X era il più intenso dei due, suggerendo che le molecole con legame più debole dovevano essere prevalenti nel campione, un'affermazione che combaciava con i modelli precedenti del team. Scoprirono anche che questo picco si sposta ad una lunghezza d'onda ulteriormente più corta quando l'acqua viene scaldata, mentre l'altro picco rimane più o meno fissato (Chemical Physics Letters, vol 460, p 387).

Questo suggerisce che i legami a idrogeno che collegano le molecole disposte in modo disordinato si indeboliscono più facilmente col riscaldamento rispetto a quelle disposte in modo più regolare, altro punto predetto dal team. Quindi hanno rianalizzato vecchi dati sperimentali che sembravano supportare la visione tradizionale dell'acqua e ora affermano che questi risultati supportano anche il nuovo modello.

Se il team ha ragione, spunta un'altra domanda: quanto sono grandi le diverse strutture nel liquido? Per scoprirlo, hanno usato i potenti raggi-X generati presso la struttura Stanford Synchrotron Radiation Lightsource in California, questa volta misurando come l'acqua rifletta i raggi che arrivano da varie angolazioni. I risultati, dicono, rivelano che l'acqua presenta piccole regioni di molecole disposte tetraedricamente, ogni regione è di 1-2 nanometri (Proceedings of the National Academy of Sciences, vol 106, p 15214 http://www.pnas.org/content/106/36/15214.abstract ).

Unendo le ulteriori misurazioni di Uwe Bergmann presso la Stanford University, hanno concluso che le strutture ordinate consistevano di circa 50-100 molecole, in media, circondate da un mare delle molecole dai legami più deboli. Queste regioni non sono fisse. In meno di un trilionesimo di secondo, si pensa che le molecole d'acqua fluttuino tra i due stati mentre i legami a idrogeno si rompono e si ricompongono.

Spiegare l'inspiegabile

Il bilanciamento mutevole tra i due tipi di acqua di Nilsson e Pettersson fornisce una spiegazione per il picco di densità dell'acqua a 4°C. Nelle regioni disordinate, le molecole d'acqua sono racchiuse in modo più ravvicinato, questo le rende più dense delle regioni in cui le molecole sono disposte con struttura tetraedrica. A 0°C queste regioni disordinate dovrebbero essere relativamente rare, ma quando l'acqua viene scaldata, l'energia extra del calore tende a scuotere la struttura più ordinata, quindi le molecole passano meno tempo nella struttura tetraedrica e più tempo nelle regioni disordinate, rendendola più densa in media.

Controbilanciando questo, le molecole dai legami più deboli si muoveranno più vigorosamente con l'innalzamento della temperatura, aumentando la propria distanza. Quando un numero sufficiente di molecole avrà legami indeboliti, a 4°C, questa espansione dominerà e la densità cadrà con l'aumento di temperatura.
Secondo Pettersson, la teoria offre spiegazioni per molte delle altre anomalie elencate all'inizio, qualcosa che, loro dicono, nessun'altra teoria può ancora raggiungere (vedi http://www.newscientist.com/article/dn18473-the-many-mysteries-of-water.html ). Martin Chaplin, un chimico alla London South Bank Unversity, concorda. Le spiegazioni basate sul sistema mono-componente convenzionale devono “girare attorno alle case” per cercare di accomodare il massimo e minimo nelle varie proprietà col cambiamento della temperatura dell'acqua, dice. “L'idea della doppia struttura è fortemente supportata dagli esperimenti e può spiegare le anomalie dell'acqua meglio dell'idea convenzionale”, dice Chaplin.

Il documento di Nilsson e Pettersson del 2004 su Science ora è stato citato oltre 350 volte da altri ricercatori. Molti ancora restano scettici. Una critica è che la spiegazione del team sui propri risultati tramite spettroscopia a raggi-X è basata su simulazioni di almento 50 molecole d'acqua interagenti, un modello immensamente complesso che può essere risolto solo approssimativamente. “Ci serve una teoria molto più accurata per fare tali drammatiche affermazioni”, dice Richard Saykally dell'University of California, a Berkeley. Afferma che piccoli aggiustamenti nella disposizione dei legami a idrogeno nella struttura convenzionale siano sufficienti a spiegare i risultati ai raggi-X di Nilsson e Pettersson. Un membro del loro gruppo, Michael Odelius della Stockholm University, ha persino lasciato la collaborazione perchè non concordava con la loro interpretazione dei dati dell'emissione a raggi-X.

Un dettaglio che ha colpito molti scettici è stata un'affermazione nel documento del 2004 per cui le molecole con legami più deboli formerebbero anelli e catene e infatti Nilsson e i suoi colleghi ora sono meno specifici sulla struttura delle molecole disordinate. Eugene Stanley della Boston University, non crede che questo danneggi il lavoro del team. “Non penso che debbano essere condannati per sempre”, dice. Benchè la loro argomentazione non sia ancora a tenuta stagna, i risultati con l'uso dei raggi-X forniscono “un altro pezzo di evidenza a supporto”, dice.

Non c'è dubbio che Nilsson e Pettersson trovino ancora forte opposizione, ma i frutti di una visione approfondita della struttura dell'acqua liquida possono essere considerevoli. Potrebbe portare ad una migliore comprensione di come sostanze e proteine interagiscano con le molecole d'acqua nel corpo, per esempio, per arrivare così a produrre medicine più efficaci. Fornendoci una migliore idea di come l'acqua si comporti attorno a pori ristretti, potremmo migliorare la desalinizzazione e quindi l'accesso ad acqua pulita.

“La nostra comprensione dell'acqua evolve”, dice Pettersson. “Serve ulteriore ricerca da gruppi diversi prima che questa avventura emozionante finisca.” Con così tanto da guadagnare, chi non sarebbe d'accordo?

Fonte: http://www.newscientist.com/article/mg20527466.200-the-strangest-liquid-why-water-is-so-weird.html?page=1
Tradotto da Richard per Altrogiornale.org
Vedi: http://www.altrogiornale.org/news.php?extend.5803 http://www.altrogiornale.org/news.php?item.5317.7

Altrogiornale.org agrees to indemnify RBI and New Scientist against any claim arising from incorrect or misleading translation

Perchè l'acqua è così strana ultima modifica: 2010-02-05T22:56:03+00:00 da Richard
About the Author
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)