Il sorprendente livello di ordine sulla superficie di minuscole particelle di acqua

Risultati che potrebbero far luce su una serie di processi atmosferici, biologici e geologici

[20 luglio 2017]

I ricercatori del progetto “Water, Ions, Interfaces – Quantum effects, charge and cooperativity in water, aqueous solutions and interfaces”  (WII), finanziato dall’Unione europea, spiegano su Cordis che «Esistono sopra di noi in particelle di ghiaccio e particelle nelle nuvole, sotto di noi in rocce e campi petroliferi e persino dentro di noi dove aiutano la somministrazione dei farmaci. Siamo circondati da nanoscopiche e microscopiche particelle d’acqua in ambienti idrofobici (idrorepellenti). Inoltre, alcuni processi biologici dipendono dalle interazioni delle particelle d’acqua con altre interfacce – il 60 % del corpo umano stesso è fatto di acqua. Eppure, nonostante questa loro onnipresenza, finora si sapeva molto poco sulla superfice delle minuscole particelle d’acqua».

Lo studio “The interfacial structure of water droplets in a hydrophobic liquid”, recentemente pubblicato su Nature Communications da un team di ricercatori svizzeri e olandesi del WII ha contribuito a «chiarire gli effetti quantici nell’acqua e sulla gamma di interfacce con le quali le particelle d’acqua interagiscono».

Cordis, il bollettino scientifico dell’Ue, ricorda che «WII è stato creato per arricchire le conoscenze riguardo al modo in cui le proprietà strutturali, dinamiche e biologiche dell’acqua contribuiscono al funzionamento dei sistemi viventi e nella speranza di promuovere altre innovazioni tecnologiche in grado di sfruttare il design della natura». E lo studio del WII dimostra che «Le molecole sulla superficie delle particelle d’acqua sono sorprendentemente più organizzate di quanto si pensasse».

Il team di ricercatori guidato da Nikolay Smolentsev dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Epfl)  voleva «capire meglio le proprietà e il comportamento delle particelle d’acqua quando erano circondate da una sostanza idrofobica come l’olio, perché questo ha implicazioni per il funzionamento di tutto il sistema acquoso» e spiega che «Le conoscenze sulle particelle d’acqua sono normalmente dedotte da dati raccolti da studi sulle interfacce macroscopiche aria/acqua o sulle soluzioni acquose di idrofobi solvatati. Si tratta di una metodologia inesatta a causa delle differenze di dimensioni, della composizione chimica e della dipendenza dalla temperatura rispetto agli ambienti di reali particelle minuscole d’acqua, normalmente spesse appena un millesimo di un capello».

I ricercatori di WII hanno sviluppato un metodo unico per esaminare la superficie di queste minuscole particelle. Secondo Sylvie Rok, coordinatrice del progetto WII e anche lei dell’Epfl, «Il metodo comporta la sovrapposizione di impulsi laser ultrabrevi in una miscela di particelle d’acqua in olio liquido e la rilevazione di fotoni che si disperdono solo dall’interfaccia. Questi fotoni hanno la frequenza totale dei fotoni in arrivo e hanno quindi un colore diverso. Con questo colore nuovo, possiamo determinare la struttura dell’interfaccia».

Il team di ricerca elvetico-olandese  ha così scoperto che «La superficie delle particelle d’acqua è molto più ordinata di quella dell’acqua normale e si può in qualche modo paragonare a quella del ghiaccio, con molecole che hanno legami a idrogeno molto forti, con una configurazione tetraedrica (a forma di piramide) stabile intorno a ogni molecola. Sorpredentemente questa disposizione appariva anche sulla superficie delle minuscole particelle persino a temperatura ambiente, una temperatura cioè 50° C più alta di quella alla quale si poteva prevedere il fenomeno».

Cordis conclude: «Si sa che la rete 3D con legami a idrogeno dell’acqua è cooperativa e che si ridispone ogni pochi femtosecondi (un quadrilionesimo di secondo) con interazioni a livello quantico che ne determinano le proprietà. Uno dei principali contributi di WII è stato l’aver approfondito questa tempistica a livello quantico in femtosecondi arrivando fino al livello e ai tempi macroscopici. Questi risultati potrebbero essere usati per far luce su una serie di processi atmosferici, biologici e geologici».