L’acqua è uno dei composti più diffusi e assolutamente essenziali sulla Terra. Copre più del 70% della superficie del pianeta, ne determina la composizione, la geologia e persino i modelli meteorologici e climatici ed è alla base di tutte le forme di vita conosciute.
È un elemento strano anche perché presenta una serie di proprietà "anomale" - la comunità scientifica ne ha già individuate più di 70! Esistono varie teorie su queste anomalie, ma sono difficili da verificare sperimentalmente, anche perché si tratterebbe di studiare il fluido tra i 160 e i 232 K (da -113 a -41°C), un intervallo di temperatura considerato una "terra di nessuno", in cui l’acqua cristallizza così rapidamente che non si è mai riusciti ad analizzarne le caratteristiche.
Il motivo è che, a una temperatura molto inferiore al suo punto di solidificazione, l’acqua entra in uno stato di "superraffreddamento" e presenta alcune proprietà eccezionali e affascinanti: può, ad esempio, rimanere liquida (in determinate condizioni) ma congelare istantaneamente quando viene sottoposta a una perturbazione o esposta a determinate sostanze. L’acqua superraffreddata si ottiene raffreddando l’acqua liquida al di sotto del suo punto di solidificazione e impedendo, o almeno rallentando, la sua cristallizzazione con degli stratagemmi. Nella "terra di nessuno", tuttavia, questi trucchi sono inefficaci perché la cristallizzazione avviene troppo rapidamente.
"Realizzare un esperimento per esaminare sistematicamente la struttura dell’acqua in quella che è nota come ’terra di nessuno’ è stato fuori portata per decenni", spiega il professor Ulrich Lorenz della Facoltà di Scienze di Base dell’EPFL. Ora è possibile: l’équipe scientifica da lui guidata ha sviluppato un metodo per preparare rapidamente l’acqua in uno stato di superraffreddamento accentuato, a una temperatura ben definita, ed esaminarla mediante diffrazione elettronica prima che possa cristallizzare.
"Non abbiamo ancora compreso appieno perché l’acqua sia un liquido anomalo, anche se la questione è stata molto dibattuta per più di 40 anni", spiegail Prof. Lorenz. "La risposta sembra trovarsi nella ’terra di nessuno’. Purtroppo, a causa della rapida cristallizzazione, era impossibile misurare l’intera gamma di temperature, ma lo abbiamo fatto per la prima volta. Siamo quindi un passo più vicini alla soluzione di questo enigma di lunga data".
Il team ha condotto gli esperimenti utilizzando uno speciale microscopio elettronico a risoluzione temporale, costruito su misura nel proprio laboratorio. L’acqua superraffreddata è stata preparata a una temperatura specifica e analizzata appena prima che avvenisse la cristallizzazione. A tal fine, i ricercatori hanno raffreddato uno strato di grafene a 101 K, quindi hanno depositato una sottile pellicola di ghiaccio amorfo. Hanno poi fuso il film localmente con un impulso laser di microsecondi per ottenere l’acqua nella "terra di nessuno" e hanno catturato un modello di diffrazione utilizzando un’intensa sorgente di elettroni pulsati ad alta luminosità.
È emerso che la struttura dell’acqua si evolve gradualmente quando viene portata dalla temperatura ambiente a quella criogenica. Appena sotto i 200 K (circa -73 oC), inizia ad assomigliare al ghiaccio amorfo - in cui le molecole d’acqua sono disposte in modo disordinato - piuttosto che al ghiaccio cristallino e organizzato a cui siamo abituati.
"L’evoluzione progressiva della struttura ci permette di restringere il campo delle possibili spiegazioni sull’origine del comportamento anomalo dell’acqua", spiegail professor Lorenz. "Le nostre scoperte e il metodo che abbiamo sviluppato ci avvicinano alla soluzione dei misteri dell’acqua". È difficile sfuggire al fascino di questo liquido onnipresente e apparentemente semplice, che non ha ancora rivelato tutti i suoi segreti".
Riferimenti
Constantin R. Kruger, Nathan J. Mowry, Gabriele Bongiovanni, Marcel Drabbels e Ulrich J. Lorenz. Diffrazione elettronica dell’acqua nella terra di nessuno. Nature Communications 17 maggio 2023. DOI: 10.1038/s41467’023 -38520-7
