Scienziati negli Stati Uniti hanno trovato prove che la superficie dell’acqua liquida, anche a temperatura ambiente, ha una struttura che assomiglia sempre più al ghiaccio man mano che ci si avvicina all’interfaccia acqua-aria. Phillip Geissler e Nathan Odendahl dell’Università della California, Berkeley, effettuato simulazioni al computer dell'interfaccia irregolare tra aria e acqua e motivi ordinati identificati, che secondo loro condividono punti in comune significativi con il ghiaccio.
Dall’atmosfera ai polmoni umani, molti dei processi più importanti del pianeta avvengono sulla superficie di una goccia d’acqua, dando a questa ricerca potenziali implicazioni in fisica, chimica e biologia.
"Le cose su cui abbiamo lavorato così tanti decenni per comprendere l'acqua nel suo ambiente di massa diventano errate a livello delle interfacce", ha affermato Geissler, che ha utilizzato simulazioni per studiare l'acqua a un livello molecolare non accessibile negli esperimenti. Le misurazioni spettroscopiche dell’interfaccia aria-acqua hanno prodotto risultati sorprendenti, suggerendo legami idrogeno ordinati sulla superficie. Geissler e Odendahl erano incuriositi dalle simulazioni precedenti, che suggerivano il ghiaccio come punto di riferimento per la struttura interfacciale dell'acqua, ma non pensavano che questi risultati fossero conclusivi. Di conseguenza, hanno ideato un modo per cercare questi modelli in modo più dettagliato.
Alla ricerca della struttura nel disordine
L'acqua liquida è disordinata, quindi i ricercatori sapevano che le strutture che stavano cercando sarebbero state difficili da trovare, estendendosi solo su poche molecole e sepolte nel rumore. Avevano l'idea che i ricercatori precedenti perdessero dettagli perché avevano trattato l'interfaccia come un piano piatto, quando in realtà è morbida e irregolare. Il lavoro sulle interfacce morbide aria-acqua è stato avviato più di 10 anni fa e ha rivelato strati paralleli alla superficie, ma Geissler e Odendahl sono stati i primi a usarlo per cercare un collegamento con il ghiaccio.
Geissler si è detto sorpreso quando Odendahl gli ha mostrato i primi risultati sovrapponendo le interfacce ghiaccio e acqua-aria. Sostengono che, con il dettaglio aggiuntivo dell'interfaccia istantanea, gli strati sulla superficie dell'acqua possono essere suddivisi in sottostrati (vedi figura sopra). I sottostrati paralleli sono una caratteristica della faccia basale del ghiaccio e presentano ciò che, secondo i due ricercatori, è una sorprendente somiglianza tra questi strati nelle interfacce ghiaccio e acqua-aria.
Usando questi sottostrati come punto di riferimento, Geissler e Odendahl hanno confrontato gli orientamenti delle molecole, sapendo che questo è ben definito per le molecole d'acqua tetraedriche nel ghiaccio. Quando i ricercatori hanno mappato la direzione privilegiata dei legami ossigeno-idrogeno vicino alla superficie dell'acqua, hanno osservato l'ordinamento, che secondo loro, sembra corrispondere a una faccia di ghiaccio. Questi modelli si mantengono su pochi diametri molecolari, che sono più grandi delle strutture tetraedriche transitorie previste nell'acqua sfusa.
La simmetria rotta costringe l’acqua ad organizzarsi
Sostenendo le loro conclusioni, Odendahl ha affermato: “Avere quell'interfaccia flessibile ci ha davvero dato la sicurezza necessaria per dire che non si tratta solo di un paio di parametri casuali. Se guardi la densità, se guardi l’orientamento, se guardi i molteplici strati, proprio tutto quello che abbiamo guardato, sembrava esserci una corrispondenza”.
L'acqua risulta essere elettricamente morta alle interfacce
Tuttavia, l’interpretazione della ricerca sulla meccanica statistica dei liquidi è sempre controversa. Il dibattito continuo sull’interfaccia acqua-aria si ridurrà alla questione fondamentale di come viene definito il ghiaccio e se si può dire che una struttura che si estende solo su poche molecole abbia proprietà cristalline. Riflettendo sui loro risultati, Geissler ha detto: “Ora abbiamo questo punto di riferimento strutturale per pensare a questi motivi strutturali, e penso che, alla fine, si rivelerà uno strumento concettuale molto utile”.
La ricerca è descritta nel Journal of American Chemical Society.
