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Gli scienziati hanno scoperto un nuovo stato fisico dell'acqua

Gli scienziati hanno scoperto un nuovo stato fisico dell'acqua

I fisici dell’Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy hanno scoperto un nuovo stato dell’acqua che non può essere definito né solido, né liquido, né gassoso. Si tratta di uno stato “altro” che le molecole d’acqua sono costrette ad assumere in condizioni di confinamento estremo. Qui, gli effetti quantistici iniziano a prendere il sopravvento sulle regole della fisica classica a cui siamo abituati: i termini solido, liquido e gassoso smettono semplicemente di avere senso.

Il lavoro d ricerca del gruppo è stato pubblicato sull’ultimo numero di Physical Review Letters.

Per cominciare, dobbiamo immaginare una singola molecola d’acqua: due atomi di idrogeno legati a un solo atomo di ossigeno. Questa molecola si posiziona in un piccolo canale naturale che si crea tra i cristalli esagonali di berillio. Il canale, che è largo abbastanza da ospitare una sola molecola d’acqua, misura circa 5 angstrom, che corrispondono più o meno a un decimiliardesimo di metro. Stando ai fisici, questo tipo di confinamento dovrebbe essere abbastanza comune nel mondo naturale, e si verifica in certi ambienti geologici e biologici come il terreno, le interfacce minerali e i muri cellulari.

Gli atomi stessi misurano solo un angstrom circa, dunque i canali di berillio somigliano più a camicie di forza che a prigioni. Intrappolata in questo modo, la molecola di acqua inizia a comportarsi secondo l’effetto tunnel, diventando “de-localizzata.” Come è normale aspettarsi nel mondo quantistico, le molecole e i loro atomi costituenti sono in grado di esistere in più stati contemporaneamente.

La cosa finisce per somigliare all’anello che vedete nell’illustrazione qua sopra. Gli atomi di idrogeno della molecola d’acqua iniziano a occupare sei orientamenti simmetrici diversi contemporaneamente, con l’atomo di ossigeno fisso al centro.

Normalmente, una molecola di acqua è organizzata con l’atomo di ossigeno nel mezzo dei due atomi di idrogeno, che si posizionano da un lato, percui la configurazione finale somiglia al simbolo “>”. In un canale/cavità di berillio, questa configurazione può assumere sei diversi orientamenti che corrispondono alle sei diverse pareti del passaggio esagonale. Questo stato viene mantenuto finché l’atomo di idrogeno non ha abbastanza energia da saltare in una nuova configurazione.

Questo è ciò che “dovrebbe” accadere, ad ogni modo. Ma il mondo quantistico è molto più strano di così.

Quello che abbiamo, in realtà, è un atomo di ossigeno centrale e un anello circostante di “picchi” sfocati. Gli atomi di idrogeno non sono più attaccati all’ossigeno come piccole antenne, ma esistono in una media sospesa di tutti i possibili orientamenti, e l’effetto aumenta all’aumentare della temperatura. Questo è il risultato degli atomi di idrogeno che mutano nelle diverse configurazioni secondo l’effetto tunnel.

I fisici dell’ORNL sono riusciti ad osservare il fenomeno in azione usando lo scattering di neutroni. In questa tecnica, si usano i neutroni per sondare le strutture subatomiche anziché gli elettroni e i fotoni come nei metodi ottici e a raggi X. I neutroni sono dotati della pratica proprietà di avere una carica elettrica neutra, quindi non sono influenzati dai materiali che potrebber otrovarsi tra l’sservatore e l’oggetto osservato. La loro mancanza di carica significa anche che non interferiscono con le particelle cariche che devono osservare.

Per questo, lo scattering di neutroni è una tecnica cruciale per capire le proprietà materiali a livello atomico, ed è anche una tecnica per cui l’ORNL è ben equipaggiato, grazie alla Spallation Neutron Source del laboratorio, che ha fornito agli scienziati il primo sguardo alle molecole di acqua “tunnelizzanti”. Un secondo giro di esperimenti è stato condotto utilizzando neutroni ad alta energia dalla struttura ISIS del Rutherford Appleton Laboratory in Inghilterra.

Questo nuovo stato dell’acqua, a quanto pare, ha proprietà piuttosto interessanti. Per esempio, il centro di massa della molecola è spostasto dai due atomi di idrogeno a quello singolo di ossigeno. (Ricordatevi che invece che penzolare a lato, gli atomi di idrogeno ora girano in tondo.)

Ancora più interessante è il fatto che una molecola di acqua in questa configurazione perde il suo momento di dipolo. In genere, una molecola di acqua ha una carica più negativa all’angolo dove si trova l’ossigeno (il vertice del simbolo “>”) e più positiva dove si trovano i due atomi di idrogeno. Quando questi ultimi si spargono in giro, si perde questa asimmetria.

Una volta che il momento di dipolo è perduto, la molecola non dovrebbe più essere interessata a legarsi con altri atomi/molecole. Ne consegue dunque che l’acqua non può più definirsi un “solvente universale,” quella proprietà per cui, in pratica, manda avanti tutto il mondo biologico. Non so se sia più appropriato definire questa forma di acqua “super-pura” o “morta.”



Nuovo stato quantistico dell’acqua

 

Ricercatori ai laboratori di Oak Ridge hanno scoperto che l’acqua nel berillio mostra alcune caratteristiche uniche e inaspettate. Crediti: ORNL/Jeff Scovil

Ricercatori ai laboratori di Oak Ridge hanno scoperto che l’acqua nel berillo mostra alcune caratteristiche uniche e inaspettate. Crediti: ORNL/Jeff Scovil

tratto da: http://www.media.inaf.it/2016/04/26/nuovo-stato-quantistico-dellacqua/

Immaginate delle microscopiche fessure esagonali - delle dimensioni di qualche atomo - all’interno di uno smeraldo: gli atomi di molecole d’acqua confinate in questi tubicini si delocalizzano e assumono un comportamento quantistico. A scoprire questo nuovo stato dell’acqua un gruppo di ricerca ai laboratori statunitensi di Oak Ridge

 

Acqua quantistica, un’allitterazione che farebbe tanto rivoltare Umberto Eco nella tomba quanto solleticare i sostenitori dell’omeopatia. Sta di fatto che l’ha scoperta un gruppo di ricercatori presso lo Oak Ridge National Laboratory (ORLN), uno dei grandi laboratori facenti capo al Dipartimento dell’Energia statunitense, sorto nel luogo dove venne sviluppato il Progetto Manhattan.

 

In un articolo pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, i ricercatori descrivono un nuovo stato a effetto tunnel delle molecole di acqua confinate all’interno di canali esagonali del minerale berillo, canali dalle dimensioni ultra piccole: 5 angstrom appena. L’unità di misura angstrom (Å) è pari a 1/10 di miliardesimo di metro, che equivale pressappoco alle dimensioni di un atomo.

 

«A basse temperature, questa acqua “canalizzata” mostra moto quantistico attraverso barriere di potenziale, fatto proibito nel mondo della fisica classica», spiega Alexander Kolesnikov del ORNL, primo autore del  nuovo studio. «Ciò significa che gli atomi di ossigeno e idrogeno della molecola d’acqua sono delocalizzati e, pertanto, contemporaneamente presenti nel canale in tutte le sei posizioni simmetricamente equivalenti allo stesso tempo. È uno di quei fenomeni che si verificano solo nella meccanica quantistica e non ha paragoni nella nostra esperienza quotidiana».

 

L’esistenza di questo nuovo stato a effetto tunnel dell’acqua – mai riscontrato nei canonici stati gassoso, liquido e solido – dovrebbe aiutare scienziati di diverse discipline a descrivere meglio le proprietà termodinamiche e il comportamento dell’acqua in ambienti altamente “confinati”.  Esempi possono essere la diffusione e il trasporto dell’acqua nei canali delle membrane cellulari, nei nanotubi di carbonio, lungo i bordi dei grani e sulle interfacce dei minerali in una miriade di ambienti geologici.

 

«Questa scoperta rappresenta una nuova comprensione fondamentale del comportamento dell’acqua e di come l’acqua utilizzi l’energia», aggiunge Lawrence Anovitz, sempre dello ORNL. «È anche interessante pensare che le molecole d’acqua presenti nel vostro anello d’acquamarina o di smeraldo – varietà di berillo cristallino rispettivamente verde e blu – stanno subendo la stesso effetto di tunneling quantistico che abbiamo riscontrato nei nostri esperimenti».

 

La Spallation Neutron Source al ORNL. Crediti: ORNL

 

La Spallation Neutron Source al ORNL. Crediti: ORNLMentre studi precedenti avevano osservato tunneling di idrogeno atomico in altri sistemi, la scoperta che l’acqua esibisce tale comportamento quantistico è senza precedenti. Il risultato è stato ottenuto grazie a tecniche di diffrazione di neutroni nell’acceleratore di particelle e a esperimenti di chimica computazionale, con le quali si è appunto dimostrato che, nello stato “canalizzato”, le molecole d’acqua sono delocalizzate attorno a un anello.

 

«L’energia cinetica media dei protoni dell’acqua, ottenuta direttamente dall’esperimento a neutroni, è una misura del loro moto alla temperatura quasi dello zero assoluto, e risulta circa il 30 per cento in meno rispetto a quanto sia nell’acqua liquida o come solido amorfo», spiega Kolesnikov. «Questo è in completo disaccordo con i correnti modelli basati sulle energie dei suoi modi vibrazionali».


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