lunedì, Giugno 17, 2024

Acqua, è stata scoperta una nuova fase vetrosa

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Sostanza affascinante l’acqua, in grado di assumere un’ampia varietà di forme (o, meglio, fasi). Solo allo stato solido, l’acqua esiste infatti in oltre 20 fasi cristalline diverse, inclusa quella che caratterizza i fiocchi di neve. E, a quanto pare, al complesso diagramma di fase di questa sostanza indispensabile alla vita sulla Terra dovremo aggiungere un’ulteriore nuova forma. Giuseppe Cassone, ricercatore presso l’Istituto per i processi chimico-fisici del Cnr di Messina (Cnr-Ipcf), e Fausto Martelli, dell’Ibm Research Europe (Regno Unito), hanno infatti scoperto attraverso complesse simulazioni computazionali che l’acqua, se sottoposta a un intenso campo elettrico, può assumere una fase denominata ferroelectric glassy water, o acqua vetrosa ferroelettrica. Lo studio è stato pubblicato su Nature Communication.

I precedenti

Lo scienziato Louis Dufour fu il primo, nella seconda metà del 1800, a proporre l’idea di poter manipolare lo stato fisico dell’acqua attraverso l’applicazione di campi elettrici esterni. Parliamo in particolare di un processo noto come electrofreezing, o elettrocongelamento, cioè la solidificazione di una sostanza indotta da campi elettrici. Si tratta di un fenomeno che riguarda molti processi naturali e tecnologici, dalle dinamiche che caratterizzano la troposfera (la fascia di atmosfera a diretto contatto con la superficie terrestre), al raffreddamento dei microchip. Anche lo stesso processo di formazione dei fiocchi di neve è fortemente influenzato dalla presenza di campi elettrici. L’idea di Dufour innescò un acceso dibattito all’interno della comunità scientifica, catalizzando, scrivono gli autori nell’articolo, una fervente attività di ricerca che prosegue anche ai giorni nostri.

Lo studio

Con il present studio, Cassone e Martelli avrebbero per la prima volta dimostrato, attraverso l’utilizzo di complesse simulazioni computazionali, che campi elettrici di elevata intensità possono indurre una transizione dalla fase liquida ad una nuova fase vetrosa dell’acqua, definita appunto ferroelectric glassy water (f-GW). “La fase dell’acqua vetrosa ferroelettrica si aggiunge al già ricco insieme di strutture che caratterizzano il diagramma di fase della sostanza chimica più studiata, che compendia più di 20 fasi cristalline note”, spiega Cassone. A differenza di una fase cristallina, una fase vetrosa è cosiddetta “amorfa”, ovvero non è caratterizzata da una geometria precisa che si ripete in modo periodico.

Dalle simulazioni è emerso che l’acqua tende ad assumere la f-GW in presenza di condizioni ambientali e di un campo elettrico pari ad almeno 0,10 V/Å. A queste condizioni, scrivono gli autori, i gradi di libertà delle molecole di acqua e la loro energia potenziale diminuiscono, ad indicare appunto una transizione di fase. “Tale scoperta non solo rappresenta un importante tassello nella comprensione del comportamento fondamentale dei liquidi e delle loro transizioni di fase, ma ha implicazioni profonde sulle strutture assunte dall’acqua nei sistemi biologici, nei fenomeni planetari e in sistemi di interesse tecnologico”, prosegue Cassone.

In molte occasioni, spiegano gli autori, l’acqua è infatti esposta a campi elettrici naturali di intensità paragonabile a quelli utilizzati nello studio, come ad esempio quando si trova a contatto con enzimi e altre strutture biologiche. “Ma anche l’atmosfera terrestre e quella di molti esopianeti sono ricche di acqua e presentano intense attività di fulminazione”, aggiunge Martelli: “Infine, le superfici di una lunga serie di minerali bagnati dalle acque naturali esibiscono campi elettrici spontanei ancora più intensi di quelli necessari alla trasformazione dell’acqua liquida nella sua controparte vetrosa ferroelettrica”.

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