Nuove prove che l’acqua si separa in due liquidi diversi a basse temperature

Sapevate che l’acqua può rimanere liquida anche al di sotto degli zero gradi Celsius? Si chiama acqua superraffreddata ed è presente nei frigoriferi. A temperature ancora più basse, l’acqua superraffreddata potrebbe esistere come cocktail di due liquidi distinti. Purtroppo, la presenza di ghiaccio spesso ci impedisce di osservare questo fenomeno. I fisici hanno quindi avuto l’idea di replicare la forma tetraedrica delle molecole d’acqua – utilizzando il DNA come impalcatura per creare molecole tetraedriche – eliminando così l’interferenza della formazione del ghiaccio.

Questo approccio ha permesso a Simone Ciarella dell’Università di Roma e ai suoi colleghi di confermare che, in teoria, una doppia fase liquida è possibile nell’acqua sotto zero e in qualsiasi altro liquido composto da molecole tetraedriche. Questi risultati sono stati pubblicati su EPJ E. Si tratta di un grande racconto di come la forma microscopica sottostante determini la forma macroscopica complessiva.

La tecnica dell’origami del DNA è una sorta di versione nanotecnologica del gioco dei Lego, che consiste nell’assemblare blocchi di costruzione per creare forme a piacere. Tuttavia, è piuttosto difficile da realizzare sperimentalmente. Gli autori hanno invece scelto di utilizzare la simulazione per verificare come le molecole tetraedriche – i cui bracci sono composti da sei cilindri rigidi – si impilano ed evolvono nel tempo.

Gli autori hanno confermato le idee pubblicate in precedenza, suggerendo che è la struttura dei monomeri e la loro rete a rendere teoricamente possibile una doppia fase liquida: una ad alta densità e una a bassa densità. Questo perché il reticolo risultante è sufficientemente vuoto da consentire una parziale compenetrazione delle molecole. Ed è sufficientemente flessibile da evitare la cristallizzazione in ghiaccio, almeno sulla scala temporale numerica utilizzata nello studio. Poi, Ciarella e i suoi colleghi hanno studiato le molecole tetraedriche stesse con una tecnica di recente introduzione, chiamata Successive Umbrella Sampling, per calcolare le informazioni relative alla termodinamica.

Un nuovo tipo di “transizione di fase” dell’acqua, liquido-liquido, è stato proposto per la prima volta 30 anni fa in uno studio di ricercatori della Boston University. Tuttavia, poiché la transizione è stata prevista in condizioni di superraffreddamento, la conferma della sua esistenza è stata una ricerca molto sfidante. Infatti, a temperature particolarmente basse, l’acqua non si trasforma in un liquido, ma bensì in ghiaccio come noto a tutti.

Fonte: https://www.nature.com/articles/s41567-022-01698-6/figures/1

Questa nuova prova, pubblicata su Nature Physics (Andreas Neophytou et al, Topological nature of the liquid–liquid phase transition in tetrahedral liquids, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01698-6), rappresenta un significativo passo avanti nella conferma dell’idea di una transizione di fase liquido-liquido proposta per la prima volta nel 1992. Francesco Sciortino, oggi professore alla Sapienza Università di Roma, coautore, ha fatto parte del gruppo di ricerca della Boston University.

Il team di ricercatori ha utilizzato simulazioni al computer per spiegare quali caratteristiche distinguono i due liquidi a livello microscopico. Hanno scoperto che le molecole d’acqua nel liquido ad alta densità formano disposizioni considerate “topologicamente complesse”, come un nodo a trifoglio (si pensi alle molecole disposte in modo da assomigliare a un pretzel) o un anello di Hopf (si pensi a due anelli di una catena d’acciaio). Si dice quindi che le molecole del liquido ad alta densità sono aggrovigliate.

Al contrario, le molecole del liquido a bassa densità formano per lo più anelli semplici, e quindi le molecole del liquido a bassa densità non sono aggrovigliate.

Per la simulazione i ricercatori hanno utilizzato un modello colloidale dell’acqua e due modelli molecolari ampiamente utilizzati. I colloidi sono particelle che possono essere migliaia di volte più grandi di una singola molecola d’acqua. In virtù delle loro dimensioni relativamente maggiori, e quindi dei loro movimenti più lenti, i colloidi sono utilizzati per osservare e comprendere fenomeni fisici che si verificano anche su scale di lunghezza atomiche e molecolari molto più piccole.

Il dottor Chakrabarti, coautore, afferma: “Questo modello colloidale dell’acqua fornisce una lente d’ingrandimento sull’acqua molecolare e ci permette di svelare i segreti dell’acqua che riguardano la storia di due liquidi”.

Il professor Sciortino afferma: “In questo lavoro proponiamo, per la prima volta, una visione della transizione di fase liquido-liquido basata su idee di entanglement di rete. Sono certo che questo lavoro ispirerà una nuova modellazione teorica basata su concetti topologici”.

Il team prevede che il modello ideato aprirà la strada a nuovi esperimenti che convalideranno la teoria ed estenderanno il concetto di liquidi “entangled” ad altri liquidi come il silicio. Pablo Debenedetti, professore di ingegneria chimica e biologica presso l’Università di Princeton negli Stati Uniti e uno dei maggiori esperti mondiali in questo settore di ricerca, osserva: “Questo splendido lavoro computazionale scopre la base topologica che sottende l’esistenza di diverse fasi liquide nella stessa sostanza che forma una rete.

“Così facendo, arricchisce e approfondisce in modo sostanziale la nostra comprensione di un fenomeno che, secondo le numerose prove sperimentali e computazionali, è sempre più centrale nella fisica del più importante dei liquidi: l’acqua”.

Christian Micheletti, professore alla Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati di Trieste, il cui attuale interesse di ricerca è la comprensione dell’impatto dell’entanglement, in particolare dei nodi e dei legami, sulla statica, la cinetica e la funzionalità dei biopolimeri, afferma: “Con questo singolo articolo, Neophytou et al. hanno fatto diverse scoperte che saranno conseguenti in diverse aree scientifiche.

“In primo luogo, il loro modello colloidale per l’acqua, elegante e sperimentabile, apre prospettive completamente nuove per gli studi su larga scala dei liquidi. Inoltre, essi dimostrano con forza che le transizioni di fase che possono risultare elusive per l’analisi tradizionale della struttura locale dei liquidi sono invece facilmente individuabili seguendo i nodi e i collegamenti nella rete di legami del liquido.

“L’idea di cercare queste complessità nello spazio un po’ astratto dei percorsi che si snodano lungo i legami molecolari transitori è molto potente e prevedo che sarà ampiamente adottata per studiare sistemi molecolari complessi”.

Sciortino afferma: “L’acqua rivela i suoi segreti. Immaginate quanto sarebbe bello poter guardare all’interno del liquido e osservare la danza delle molecole d’acqua, il modo in cui tremolano e il modo in cui si scambiano i partner, ristrutturando la rete di legami a idrogeno”. La realizzazione del modello colloidale dell’acqua che proponiamo può far diventare questo sogno realtà”.

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