GEOMETRIA TETRAEDRICA DELL’ACQUA
La Geometria Tetraedrica rivela le Straordinarie Proprietà dell’Acqua
L’acqua è il materiale più comune e ancora meno compreso sulla Terra. Nonostante la sua semplicità, l’acqua tende a formare un ordine tetraedrico localmente mediante legami direzionali delle molecole di idrogeno. Questa struttura è nota per essere responsabile di una vasta gamma di proprietà insolite, ad esempio la sua densità massima a 4 ° C, che svolge un ruolo fondamentale in innumerevoli processi naturali e tecnologici, il clima della Terra è uno degli esempi più importanti. Sintonizzando sistematicamente il grado di tetraedricità, riusciamo a interpolare continuamente tra un comportamento simile all’acqua e il semplice comportamento simile al liquido. Il nostro approccio rivela quali fattori fisici rendono l’acqua così anomala e speciale anche rispetto ad altri liquidi tetraedrici.
John Russo, Kenji Akahane e Hajime Tanaka. “Anomalie simili all’acqua in funzione della tetraedricità”. PNAS, 26 marzo 2018.
Le proprietà dell’acqua hanno affascinato gli scienziati per secoli, ma il suo comportamento unico rimane un mistero.
È stato pubblicato questa settimana sulla rivista “Proceedings of National Academy of Sciences”, una collaborazione tra le Università di Bristol e Tokyo che ha tentato un nuovo percorso per comprendere il comportamento di un liquido come l’acqua.
Rispetto a un normale liquido, l’acqua mostra una vasta gamma di anomalie. Esempi comuni includono il fatto che l’acqua liquida si espande al raffreddamento al di sotto di 4 ° C, che è responsabile del congelamento dei laghi dall’alto invece che dal basso.
Inoltre, il fatto che l’acqua diventi meno viscosa quando viene compressa, o la sua tensione superficiale insolitamente alta, consente agli insetti di camminare sulla superficie dell’acqua.
Queste e molte altre anomalie sono di fondamentale importanza in innumerevoli processi naturali e tecnologici, come il clima terrestre e la possibilità della vita stessa. Da un punto di vista antropico, è come se la molecola d’acqua fosse stata sintonizzata appositamente per avere proprietà così uniche.
Partendo dall’osservazione che le proprietà dell’acqua sembrano apparire finemente sintonizzate, una collaborazione tra il dott. John Russo della School of Mathematics dell’Università di Bristol e il professor Hajime Tanaka dell’Università di Tokyo, ha sfruttato la potenza di potenti super computer, utilizzando modelli computazionali per “de-sintonizzare” lentamente le interazioni dell’acqua.
Ciò ha mostrato come le proprietà anomale dell’acqua possono essere modificate e infine ridotte a quelle di un liquido semplice. Ad esempio, invece di galleggiare sull’acqua, la densità del ghiaccio può essere modificata continuamente fino a quando non affonda, e lo stesso può essere fatto con tutte le anomalie dell’acqua.
Il dott. Russo ha dichiarato: “Con questa procedura, abbiamo scoperto che ciò che fa comportare in modo anomalo l’acqua è la presenza di una particolare disposizione geometrica delle molecole dell’acqua, la Disposizione Tetraedrica, in cui una molecola di acqua ha legami di idrogeno con quattro molecole situate ai vertici di un tetraedro.
“Quattro di questi accordi tetraedrici possono organizzarsi in modo tale da condividere una molecola d’acqua comune al centro senza sovrapposizioni”.
“È la presenza di questa disposizione altamente ordinata di molecole d’acqua, mescolata con altre disposizioni disordinate che conferisce all’acqua le sue peculiari proprietà”.
“Pensiamo che questo lavoro fornisca una semplice spiegazione delle anomalie e sottolinei la natura eccezionale dell’acqua, che la rende così speciale rispetto a qualsiasi altra sostanza.”
Articolo: Comprensione dello strano comportamento dell’acqua (Link)
Esplora ulteriormente: la tetraedricità è la chiave per l’unicità dell’acqua (Link)
Articolo originale; PNAS: anomalie simili all’acqua in funzione della tetraedricità (Link)
Riassunto dell’articolo originale: “Le interazioni tetraedriche descrivono il comportamento dei materiali più abbondanti e tecnologicamente importanti sulla Terra, come acqua, silicio, carbonio, germanio e innumerevoli altri. Nonostante le loro differenze, questi materiali condividono comportamenti fisici comuni unici, come anomalie liquide, strutture cristalline aperte e capacità di vetrificazione estremamente scarse a pressione ambientale. Per rivelare l’origine fisica di queste anomalie e il loro collegamento con la forma del diagramma di fase, studiamo sistematicamente le proprietà del potenziale di Stillinger-Weber in funzione della forza dell’interazione tetraedrica λ. Scopriamo una transizione unica verso una linea spinodale rientrante a bassi valori di λ, accompagnata da un cambiamento nel comportamento dinamico, da non Arrhenius ad Arrhenius. Mostriamo quindi che un modello a due stati può fornire una comprensione completa di come le anomalie termodinamiche e dinamiche di questa importante classe di materiali dipendono dalla forza dell’interazione tetraedrica. Il nostro lavoro stabilisce un legame profondo tra la forma del diagramma di fase e le proprietà termodinamiche e dinamiche attraverso l’ordinamento strutturale locale in liquidi e suggerisce perché l’acqua è così speciale tra tutte le sostanze”.
Fonte: Resonance Science Foundation