L’acqua è sinonimo di vita, ma l’interazione dinamica e multiforme che unisce le molecole di H2O - il legame a idrogeno - rimane un mistero. I legami a idrogeno si formano quando gli atomi di idrogeno e ossigeno interagiscono tra le molecole d’acqua condividendo la carica elettronica nel processo. Questa condivisione di carica è una caratteristica essenziale della rete tridimensionale di "legami H" che conferisce all’acqua liquida le sue proprietà uniche. Ma i fenomeni quantistici alla base di queste reti sono stati finora compresi solo attraverso simulazioni teoriche.
Gli scienziati guidati da Sylvie Roke, responsabile del Laboratorio di Biofotonica Fondamentale della Facoltà di Ingegneria dell’EPFL, hanno appena pubblicato un documento scientifico che descrive un nuovo metodo - la spettroscopia vibrazionale correlata (CVS). Questo metodo permette di misurare il comportamento delle molecole d’acqua quando partecipano alle reti di legami H. Soprattutto, la CVS consente agli scienziati di distinguere tra queste molecole partecipanti (interattive) e le molecole distribuite a caso senza legami H (non interattive). A titolo di paragone, tutti gli altri metodi attuali/esistenti riportano misure su entrambi i tipi di molecole contemporaneamente, rendendo impossibile la distinzione.
"Gli attuali metodi di spettroscopia misurano la diffusione della luce laser causata dalle vibrazioni di tutte le molecole di un sistema. Quindi bisogna indovinare o supporre che ciò che si vede sia dovuto all’interazione molecolare a cui si è interessati", spiega Sylvie Roke. "Con la CVS, la modalità vibrazionale di ogni tipo di molecola ha un proprio spettro vibrazionale. E poiché ogni spettro ha un picco unico corrispondente alle molecole d’acqua che si muovono lungo i legami H, possiamo misurare direttamente le loro proprietà, come la quantità di carica elettronica condivisa e l’impatto sulla forza dei legami H".
Il metodo, che secondo il team ha un potenziale "trasformativo" per la caratterizzazione delle interazioni in qualsiasi materia, è stato pubblicato sulla rivista Science .
La capacità di quantificare direttamente la forza dei legami H è un metodo potente che può essere utilizzato per chiarire i dettagli a livello molecolare di qualsiasi soluzione.S ylvie Roke
Osservare da una nuova angolazione
Per distinguere tra molecole interagenti e non interagenti, gli scienziati hanno illuminato l’acqua liquida con impulsi laser al femtosecondo (un quadrilionesimo di secondo) nello spettro del vicino infrarosso. Questi brevissimi impulsi di luce creano minuscole oscillazioni di carica e spostamenti atomici nell’acqua, che innescano l’emissione di luce visibile. La luce emessa appare nella luce diffusa risolta dall’angolo, che contiene informazioni chiave sull’organizzazione spaziale delle molecole, mentre il colore dei fotoni contiene informazioni sugli spostamenti atomici all’interno e tra le molecole."Gli esperimenti tipici posizionano il rivelatore spettrografico a un angolo di 90 gradi rispetto al raggio laser in entrata, ma ci siamo resi conto che potevamo sondare le molecole interagenti semplicemente cambiando la posizione del rivelatore e registrando gli spettri utilizzando determinate combinazioni di luce polarizzata. In questo modo, possiamo creare spettri separati per le molecole non interagenti e per quelle interagenti", spiega Sylvie Roke.
Il team ha condotto altri esperimenti con l’obiettivo di utilizzare la CVS per distinguere tra gli effetti quantistici elettronici e nucleari delle reti di legami H, ad esempio modificando il pH dell’acqua con l’aggiunta di ioni idrossido (che la rendono più basica) o protoni (che la rendono più acida).
"Sia gli ioni idrossido che i protoni partecipano ai legami H, quindi cambiare il pH dell’acqua ne modifica la reattività", spiega Mischa Flór, dottorando e autore principale dell’articolo. "Grazie al CVS, ora possiamo quantificare esattamente la carica extra che gli ioni idrossido conferiscono alle reti di legami H (8%) e la carica che i protoni accettano da esse (4%) - misure precise che non avrebbero mai potuto essere effettuate sperimentalmente prima". Questi valori sono stati spiegati utilizzando simulazioni avanzate effettuate da collaboratori con sede in Francia, Italia e Regno Unito.
Gli scienziati sottolineano che il metodo, corroborato anche da calcoli teorici, può essere applicato a qualsiasi materiale e sono già in corso diversi nuovi esperimenti di caratterizzazione.
"La capacità di quantificare direttamente la forza del legame H è un metodo potente che può essere utilizzato per chiarire i dettagli a livello molecolare di qualsiasi soluzione, ad esempio contenente elettroliti, zuccheri, aminoacidi, DNA o proteine", spiega Sylvie Roke. "Poiché il CVS non si limita all’acqua, può anche fornire una grande quantità di informazioni su altri liquidi, sistemi e processi".
