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venerdì 20 settembre 2013

Le strutture dell'acqua

Si potrebbe anche giocare, come nello stesso comunicato stampa pubblicato su Le Scienze, con Camilleri e il suo La forma dell'acqua, ma in effetti riferirsi a strutture è propriamente più corretto, soprattutto perché si sta parlando della disposizione geometrica delle molecole dell'acqua allo stato liquido e superfreddo (28 gradi sotto lo zero). In questo stato l'acqua
(...) mostra una serie di anomalie la cui natura è dibattuta. Un ruolo centrale è attribuito alla formazione di aggregati strutturali indotti da fenomeni critici che avvengono in profondità nella regione superfredda; la natura delle anomalie dell'acqua e dei processi critici nascosti rimane elusiva.(3)
Una possibile spiegazione dei comportamenti anomali e di questi comportamenti critici potrebbe risiedere nel fatto che l'acqua presenta due strutture differenti al suo interno, una a bassa densità e bassa pressione (LDL) e l'altra ad alta densità e alta pressione (HDL). Entrambe le due strutture esistono allo stato liquido e l'acqua passa da uno all'altro attraverso una transizione di fase liquido-liquido(1, 2)
L'acqua, vicino al noto punto critico, è una mistura fluttuante di molecole la cui strutture locali riassemblano le fasi liquida e gassosa. Allo stesso modo, l'acqua vicino all'ipotizzato secondo punto critico è una mistura fluttuante di molecole le cui strutture locali riassemblano le due fasi, LDL e HDL. Queste fluttuazioni influenzano le proprietà dell'acqua liquida, generando così il comportamento anomalo.(1)
Le due fasi, tra l'altro, presenterebbero una disposizione geometrica differente: LDL di tipo tetraedro, HDL una struttura compatta ma distorta (o disordinata).
Tutto questo risiedeva nel campo delle ipotesi teoriche, per quanto suffragate anche da altri studi teorici. Per completare il cappello erano necessari dei dati sperimentali, che finalmente sono arrivati:
L'esperimento misura le vibrazioni intermolecolari dell'acqua e il processo di rilassamento strutturale in un'ampia gamma di temperature, e con una qualità dei dati senza precedenti. (...) I risultati forniscono le prove della coesistenza di due configurazioni locali, che sono interpretate come forme dell'acqua ad alta e bassa densità, con un aumento di peso di quest'ultima alle basse temperature.(3)

set-up sperimentale estratto dalle supporting information - pdf
Piccola curiosità. Nel 2009 un gruppo di ricerca giapponese(4), con l'aiuto di un paio di ricercatori occidentali, utilizzando la spettroscopia a raggi X osservava delle anomalie simili, proponendo che
(...) la differenza di densità (...) è dovuta alle fluttuazioni tra strutture tetraedriche e legami idrogeno distorti legati, rispettivamente, ad acqua a bassa e alta densità.(4)
Il gruppo, quindi, combinando le osservazioni sperimentali, propone
(...) un modello di acqua dipendente dalla temperatura, che fluttua in equilibrio tra due tipi di strutture locali guidata dall'inadeguata richiesta di minimizzare l'entalpia.(4)
L'aspetto interessante non è tanto in una presunta osservazione anticipata rispetto all'articolo fiorentino delle due strutture dell'acqua, ma il fatto che il gruppo nipponico le ha osservate in acqua a temperatura ambiente!
Leggi anche il cominicato stampa del LENS.
Infine un ringraziamento a Ernesto che, su twitter (@parsifal32), ha segnalato la notizia che ha generato questo post: grazie mille!
(1) Mishima O. & Stanley H.E. (1998). The relationship between liquid, supercooled and glassy water, Nature, 396 329-335. DOI:
(2) Poole P.H., Sciortino F., Essmann U. & Stanley H.E. (1992). Phase behaviour of metastable water, Nature, 360 (6402) 324-328. DOI:
(3) Taschin A., Bartolini P., Eramo R., Righini R. & Torre R. (2013). Evidence of two distinct local structures of water from ambient to supercooled conditions, Nature Communications, 4 DOI:
(4) Huang C., Wikfeldt K.T., Tokushima T., Nordlund D., Harada Y., Bergmann U., Niebuhr M., Weiss T.M., Horikawa Y. & Leetmaa M. & (2009). The inhomogeneous structure of water at ambient conditions, Proceedings of the National Academy of Sciences, 106 (36) 15214-15218. DOI:

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