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Spiegare le anomalie termodinamiche dell'acqua, significa
dare risposta a infinite questioni legate all'elemento che, più
di ogni altro, influisce sulla nostra vita.
Ascolta
l'intervista a Francesco Mallamace,
fisico dell'Univesità di Messina e coordinatore del progetto.
L'acqua, nelle sue diverse forme, rappresenta una delle sostanze
più diffuse e importanti in natura - è fondamentale
per i processi biologici così come per i fenomeni meteorologici
o la scienza dei materiali - ma sino ad oggi le intriganti anomalie
del suo comportamento (per esempio ha densità massima a
4°C e non a 0°C come gli altri liquidi) non avevano ancora
avuto spiegazione.
La ricerca è stata pubblicata, nell'edizione online di
PNAS (Proceedings
of the National Academy of Sciences)
, uno studio italo-americano sulla fisica dell'acqua.
Da una collaborazione tra INFM-CNR e CNISM (Consorzio
interuniversitario per le scienze fisiche della materia) dell'Università
di Messina coordinati da Francesco Mallamace e il Massachusetts
Institute of Technology nasce un innovativo lavoro di ricerca
sulle proprietà termodinamiche dell'acqua.
I segreti di questo liquido possono essere svelati solo se prima
si comprendono a fondo le variazioni della sua densità
con la temperatura e lo studio va proprio in questa direzione
mostrando l'esistenza di un massimo nel coefficiente di espansione
dell'acqua, il parametro che misura la variazione del volume dell'acqua
in relazione alla temperatura del liquido. Questa caratteristica
spiega le anomalie termodinamiche dell'acqua e di riflesso consente
di comprenderne l'importanza nei processi biologici. Per esempio,
l'acqua è fondamentale per attivare le funzionalità
delle proteine. Infatti la temperatura del massimo individuato
durante lo studio coincide con la transizione delle proteine dallo
stato inattivo a quello di piena attività dinamica e biologica.
Grazie ai risultati sperimentali ottenuti tramite varie tecniche
spettroscopiche nella regione di temperatura -240°C÷100°C,
i ricercatori hanno misurato la densità dell'acqua liquida
anche a bassissima temperatura. Ciò è stato possibile,
soprattutto nella regione tra 0°C e -80°C, confinando
molecole di acqua all'interno di nanostrutture tanto "strette"
che l'acqua contenuta in esse non può ghiacciare.
I ricercatori sono così riusciti a scoprire in maniera
inequivocabile, esperimento mai realizzato finora, l'esistenza
di un minimo della densità a circa -73°C. Questa nuova
singolarità che si accompagna al ben noto massimo di densità
a 4°C ha permesso di spiegare l'origine delle anomalie termodinamiche
del liquido. Tali anomalie sono state fino ad oggi un problema
scientifico aperto poiché si riscontrano solo nell'acqua
e non in altri liquidi.
Lo studio, pubblicato su PNAS, inoltre smentisce l'ipotesi sinora
ritenuta valida che proprietà fisiche importanti quali
ad esempio il calore specifico ed il coefficiente di espansione
termica dell'acqua crescessero indefinitamente fino a divergere
alla temperatura di circa -50°C.
Dall'analisi dei dati di densità ottenuti, i ricercatori
di INFM-CNR e del CNISM hanno invece dedotto che le anomalie sono
caratterizzate da valori finiti massimi o minimi. In particolare
il coefficiente di espansione termica ha un massimo alla temperatura
di circa -40°C. I ricercatori hanno infine scoperto che l'origine
microscopica delle anomalie dell'acqua è da attribuire
al fatto che al di sotto dei 10 °C questo liquido, tramite
il legame idrogeno, forma strutture molecolari di più bassa
densità se confrontate con quelle dell'intero liquido e
tali strutture hanno dimensioni che crescono al diminuire della
temperatura.
(13 novembre 2007)
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