Il comportamento sociale dellâH2O
Lâacqua è essenziale per la vita. Tanto essenziale che Albert Szent-GyĂśrgyi, il padre della moderna biochimica, una volta commentò: âLa vita è acqua che danza sulla musica dei solidi.â Senza questa danza, non potrebbe esserci vita. Data la centralitĂ dellâacqua, si potrebbe presumere che noi, nel XXI secolo, sappiamo piĂš o meno tutto quello che câè da sapere a riguardo. Ormai dovremmo giĂ avere tutte le risposte. Eppure, in realtĂ , sappiamo molto poco di questa sostanza familiare e onnipresente.
Consideriamo cosa ha da dire in merito il Dott. Philip Ball, uno dei principali scrittori scientifici della nostra epoca, autore di H2O: A Biography of Water e consulente di vecchia data per la rivista Nature. Queste le parole (di Ball):
âNessuno capisce davvero lâacqua. Ă imbarazzante da ammettere, ma la sostanza che riveste due terzi del nostro pianeta è tuttora un mistero. Peggio ancora, piĂš investighiamo e piĂš sono i problemi che si accumulano: le nuove tecniche che approfondiscono lâarchitettura molecolare dellâacqua allo stato liquido non fanno che sollevare nuovi enigmi.â (1)
La molecola dâacqua, di per sĂŠ, è stata compresa piuttosto bene. Gay-Lussac e von Humboldt definirono la sua natura essenziale appena due secoli fa, e oggi si conoscono anche i dettagli della sua architettura. Essenzialmente, la molecola dâacqua è formata da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno, disposti in una configurazione che probabilmente avrete giĂ visto sui libri di scuola (fig. 1).
Sappiamo ancora troppo poco sul modo in cui questa molecola interagisce con altre molecole dâacqua o con molecole di tipo diverso. Sono in pochi, al di fuori degli esperti, a porsi interrogativi di questa natura. Per molti è sufficiente sapere che le molecole dâacqua in qualche modo si legano ad altre molecole dâacqua. Tutto qui. I biologi, per esempio, considerano spesso lâacqua come il vasto mare molecolare in cui si immergono le importanti molecole della vita.
Noi in effetti non ci raffiguriamo le molecole dâacqua che interagiscono, eppure le molecole dâacqua devono interagire. Pensate alla semplice goccia dâacqua: di tutti i fantastiliardi di molecole che compongono la goccia, alcune devono per forza aderire alle altre, perchĂŠ senza coesione non potrebbe esserci la goccia.
Queste interazioni coesive non possono essere statiche: devono necessariamente modificarsi quando due gocce si uniscono, e devono modificarsi quando una goccia si spande su di una superficie. Neanche la semplice goccia può essere compresa se prima non si capisce il funzionamento delle interazioni acqua-acqua. Dunque ci chiediamo: qual è la natura di queste interazioni?
Misteri quotidiani
Quelle che seguono sono 15 osservazioni tratte dalla vita quotidiana. Sareste in grado di spiegarle? [Questi interrogativi sono discussi nel libro del Dott. Gerald H. Pollack, The Fourth Phase of Water, Red.]
⢠Sabbia bagnata e sabbia asciutta. Quando camminiamo sulla sabbia asciutta, i nostri piedi sprofondano, ma difficilmente succede sulla sabbia bagnata vicino al bagnasciuga. La sabbia bagnata è soda, tanto che la si può usare per costruire robusti castelli o sculture di sabbia. Evidentemente, lâacqua funge da adesivo. Ma come fa esattamente lâacqua a tenere insieme queste particelle di sabbia?
⢠Le onde dellâoceano. In genere le onde si dissolvono dopo aver percorso una distanza relativamente breve. Tuttavia, le onde degli tsunami sono in grado di circumnavigare la Terra varie volte prima di esaurirsi. Come fanno a mantenersi per distanze tanto immense?
⢠Il dolce di gelatina. I dolci di gelatina sono composti prevalentemente da acqua. Considerata tutta lâacqua che contengono, ci si aspetterebbe numerose fuoriuscite (fig. 2) e invece non ce ne sono. Persino nelle gelatine composte al 99,95% da acqua,(2) non si vede uscire neanche una goccia. Comâè possibile?
⢠Pannolini. Analogamente alla gelatina, i pannolini riescono a contenere moltissima acqua: piÚ del 50% del loro peso in urina e 800 volte il loro peso in acqua pura. Come fanno a trattenere cosÏ tanti liquidi?
⢠La scivolositĂ del ghiaccio. In genere i materiali solidi non scivolano tanto facilmente lâuno sullâaltro. Pensate a come le scarpe si piantano su una strada in salita: lâattrito vi impedisce di scivolare. Se la salita è ghiacciata, però, dovete fare moltissima attenzione per evitare di cadere rovinosamente. PerchĂŠ il ghiaccio si comporta in modo tanto diverso dalla maggior parte dei solidi?
⢠Gonfiore. Una vostra amica si rompe una caviglia durante una partita di tennis. In un paio di minuti la caviglia si gonfia fino a raddoppiare di dimensioni. PerchĂŠ lâacqua affluisce cosĂŹ rapidamente alla zona infortunata?
⢠Lâacqua calda che si congela. Un precoce studente di scuola media una volta osservò uno strano fenomeno durante la lezione di cucina. Usando un preparato per gelati in polvere, riusciva a produrre il suo dessert piĂš velocemente se aggiungeva acqua calda anzichĂŠ acqua fredda. Questa osservazione paradossale diventò famosa. Comâè possibile che lâacqua calda si congeli piĂš rapidamente dellâacqua fredda?
⢠Lâacqua che sale. Le foglie sono assetate. Per poter integrare nelle piante e negli alberi i liquidi che si perdono attraverso lâevaporazione, lâacqua scorre dalle radici verso lâalto attraverso sottili colonnine. La spiegazione comune sostiene che dal punto superiore delle colonne si eserciti una forza di trazione sullâacqua sospesa al di sotto. Ciò, però, in una sequoia alta 100 metri, è problematico: il peso dellâacqua ammassata in ogni capillare sarebbe sufficiente a rompere la colonnina che, una volta rotta, non potrebbe piĂš portare lâacqua dalle radici verso lâalto. Come fa la natura a evitare questo inconveniente?
⢠Il cemento che si spacca. Nei marciapiedi di cemento a volte si formano degli squarci dovuti alle radici degli alberi che crescono verso lâalto. Le radici sono formate principalmente da acqua. Comâè possibile che le radici contenenti acqua possano esercitare una pressione sufficiente a spaccare delle lastre di cemento?
⢠Le goccioline sulle superfici. Le gocce dâacqua si disseminano come perline su alcune superfici mentre si spandono su altre. Il grado di espansione è infatti usato come criterio per classificare le diverse superfici. Il fatto che si assegni una classificazione, però, non spiega perchĂŠ le gocce si spandano e perchĂŠ lo facciano a livelli diversi. Quali sono le forze che fanno spandere le gocce dâacqua?
⢠Camminare sulle acque. Magari avrete visto dei video di lucertole che camminano sulla superficie degli stagni: questi rettili riescono a scorazzare da una sponda allâaltra. Come spiegazione plausibile viene in mente lâelevata tensione superficiale dellâacqua; tuttavia se questa riguardasse solo i pochi strati molecolari piĂš alti in superficie, la tensione dovrebbe essere debole. Che cosa câè nellâacqua (o nella lucertola) che rende possibile questa impresa quasi biblica?
⢠Nubi isolate. Dalle vaste e ininterrotte distese delle acque oceaniche si solleva il vapore acqueo. Questo vapore dovrebbe essere dappertutto. Eppure, spesso, le soffici nuvole bianche si formano come entitĂ separate, che punteggiano un cielo altrimenti azzurro e sgombro (fig. 3). Qual è la forza che indirizza il vapore diffuso che sale dallâacqua verso questi siti specifici?
⢠Articolazioni che stridono. Piegare il ginocchio fino in fondo in genere non produce scricchiolii. Infatti câè dellâacqua che lubrifica ottimamente le ossa in contatto fra loro (o meglio, gli strati di cartilagine che rivestono le ossa). Ma allora quale caratteristica dellâacqua crea quella leggera frizione?
⢠Ghiaccio galleggiante. La maggior parte delle sostanze si contrae quando si raffredda. Anche lâacqua si contrae… fino ai 4 °C. Al di sotto di questa temperatura critica, lâacqua inizia a espandersi, e continua a farlo fino a diventare ghiaccio. Ecco perchĂŠ il ghiaccio galleggia. Cosa câè di speciale nei 4 °C, e perchĂŠ il ghiaccio è significativamente meno denso dellâacqua?
⢠La consistenza dello yogurt. Come fa lo yogurt ad avere una consistenza cosÏ compatta?
Misteri dal laboratorio
Ora considererò alcune semplici osservazioni di laboratorio, a partire da quella notata da alcuni studenti che si sono precipitati da me di corsa per farmi vedere cosâavevano scoperto.
⢠Le microsfere migranti
I miei studenti hanno condotto un semplice esperimento. Hanno gettato una manciata di minuscole sfere, note come microsfere, in un becher dâacqua, hanno agitato la sospensione per favorire il giusto mescolamento, coperto il becher per ridurre al minimo lâevaporazione e poi sono tornati a casa a dormire.
Secondo il pensiero convenzionale, non sarebbe dovuto succedere nullâaltro, a parte forse un poâ di sedimentazione in fondo al becher. La sospensione sarebbe dovuta apparire uniformemente opaca, come quando si versano delle gocce di latte nellâacqua e si agita vigorosamente la miscela.
La sospensione in effetti appariva uniformemente opaca… per la maggior parte. Però, vicino al centro del becher (guardando dallâalto), si era formata inesplicabilmente una colonna limpida (fig. 4).
La trasparenza indicava che la colonna non conteneva microsfere. Una forza misteriosa aveva allontanato le microsfere dal centro, convogliandole verso la periferia del becher. Poi, mantenendo le condizioni iniziali allâinterno di una finestra ben definita, queste colonne limpide si ripresentavano sistematicamente: siamo riusciti a riprodurle molte altre volte.(3)
La domanda: che cosa induce questa migrazione controintuitiva delle sfere lontano dal centro?
⢠Il ponte fatto dâacqua
Un altro curioso fenomeno di laboratorio, il cosiddetto âponte dâacquaâ, si crea quando due becher distanziati sono collegati da una striscia dâacqua: riuscite a immaginarlo?
Anche se il ponte dâacqua è una curiositĂ nota da secoli, il Dott. Elmar Fuchs e i suoi colleghi ne hanno esplorato una variabile che ha suscitato interesse in tutto il mondo.
La dimostrazione inizia riempiendo dâacqua i due becher quasi fino allâorlo e poi avvicinandoli, con i beccucci che si toccano. Un elettrodo immerso in ciascun becher crea una differenza di potenziale dellâordine dei 10 kV. Immediatamente, lâacqua di un becher salta allâorlo e crea un ponte con lâaltro becher.
Una volta formato il ponte, è possibile separare lentamente i due becher. Il ponte non si rompe: continua ad allungarsi, colmando lo spazio fra i due becher anche quando vengono separati di vari centimetri (fig. 5).
Sorprendentemente, il ponte dâacqua non gocciola quasi mai: presenta una rigiditĂ quasi di ghiaccio, anche se lâesperimento è svolto a temperatura ambiente. Vi invito a resistere alla tentazione di provare voi stessi questo esperimento ad alta tensione a meno che vi consideriate immuni agli shock elettrici. Meglio guardare un video di questo incredibile fenomeno.(w1)
La domanda: che cosa sostiene questo ponte fatto dâacqua?
⢠La goccia dâacqua galleggiante
Lâacqua dovrebbe mescolarsi istantaneamente con lâacqua. Eppure, se fate uscire delle gocce dâacqua da un tubicino stretto posizionato appena sopra un piatto di acqua, queste gocce spesso galleggeranno per un certo tempo sulla superficie dellâacqua prima di dissolversi (fig. 6). A volte le gocce riescono a sostenersi per decine di secondi.
Ancor piĂš paradossale: le gocce non si dissolvono nellâacqua sottostante attraverso singoli eventi unitari, ma in una successione di spruzzi.(4) Sembra quasi una danza programmata.
Le gocce dâacqua galleggianti si possono vedere anche in natura: basta sapere dove guardare. Un buon momento è dopo un acquazzone, quando lâacqua gocciola da un ripiano sopra una pozzanghera, o dalla punta di una barca sulla superficie del lago. Persino le gocce di pioggia a volte galleggiano quando atterrano direttamente sullâacqua. La domanda è evidente: se lâacqua si mescola naturalmente con lâacqua, allora che cosâè che a volte ne ritarda la naturale aggregazione?
⢠La scarica di Lord Kelvin
Infine, la fig. 7 rappresenta unâulteriore osservazione che desta perplessitĂ . Lâacqua che gocciola da una bottiglia capovolta o da un normale rubinetto viene separata in due rami. Le gocce cadono da ciascun ramo passando attraverso degli anelli di metallo per poi finire in contenitori metallici.
Gli anelli e i contenitori sono collegati con fili elettrici incrociati, come si vede nella figura. Delle sferette di metallo poste lâuna davanti allâaltra, e separate da uno spazio di alcuni millimetri, sporgono da asticelle metalliche legate a ciascun contenitore.
Questo esperimento, concepito in origine da Lord Kelvin, produce un risultato sorprendente. Dopo che un certo numero di gocce è giĂ sceso, si inizia a udire un suono crepitante. Poi, subito dopo, nello spazio vuoto fra le sferette si forma una scarica che produce un lampo, accompagnata da un âcracâ udibile. La scarica elettrica può verificarsi solo se fra i due contenitori si accumula una forte differenza di potenziale elettrico. Questa differenza di potenziale può raggiungere facilmente i 100.000 volt, a seconda delle dimensioni dello spazio vuoto.
Eppure, la forte separazione di carica necessaria a creare questa differenza di potenziale si accumula da una singola sorgente dâacqua.
Sebbene sia possibile costruire uno di questi particolari marchingegni in casa, è molto piÚ semplice osservare la scarica in un video.(w2)
Un ottimo esempio è quello fornito dal Prof. Walter Lewin, che dimostra la produzione, il verificarsi della scarica davanti a una classe di matricole esterrefatte del MIT.(w3)
Poi invita gli studenti a spiegare il fenomeno, come compito a casa. E voi, sapreste spiegare come una singola sorgente dâacqua può produrre una separazione di carica tanto forte?
Cosa insegnano questi misteri
I fenomeni presentati nelle sezioni precedenti non si prestano a spiegazioni semplici. Anche i piĂš importanti studiosi dellâacqua che conosco non riescono a trovare risposte soddisfacenti: molti non sanno neppure andare oltre le spiegazioni piĂš superficiali. Evidentemente nel nostro contesto interpretativo manca qualcosa, altrimenti i fenomeni sarebbero immediatamente spiegabili, mentre invece non lo sono.
Vorrei ribadire che non stiamo trattando lâacqua a livello molecolare, ma stiamo considerando un numero altissimo di molecole dâacqua. Oggi non conosciamo ancora le interazioni delle molecole dâacqua fra di loro: il comportamento âsocialeâ dellâacqua. â
Note
1. Ball, Philip, H2O: A Biography of Water, Weidenfeld & Nicholson, 1999
2. Osada, Y. e Gong, J., âStimuliresponsive polymer gels and their application to chemomechanical systemsâ, Prog. Polym. Sci. 1993; 18:187-226
3. Ovchinnikova, K. e Pollack, G.H., âCylindrical phase separation in colloidal suspensionsâ, Phys. Rev. E. 2009; 79(3), 036117
4. Klyuzhin, I.S., Ienna, F., Roeder, B., Wexler, A. e Pollack, G.H., âPersisting water droplets on water surfacesâ, J. Phys. Chem. B 2010; 114:14020-7
w1. tinyurl.com
w2. tinyurl.com
w3. tinyurl.com
L’autore:
Il Dott. Ric. Gerald H. Pollack è professore di bioingegneria allâUniversitĂ di Washington-Seattle, dove gestisce il Pollack Laboratory. Ă caporedattore della rivista scientifica interdisciplinare WATER (cfr. waterjournal.org). Pollack ha ricevuto vari premi e riconoscimenti ed è uno dei principali ricercatori internazionali sullâacqua. Può essere contattato allâindirizzo ghp@u.washington.edu.
Nota di redazione (Nexus):
Questo articolo è tratto dai capitoli 1 e 2 del libro di Gerald H. Pollack The Fourth Phase of Water: Beyond Solid, Liquid, and Vapor (Ebner & Sons Publishers, Seattle, 2013; disponibile sul sito ebnerandsons.com).