Decodificata la struttura dell'acqua supercritica
L'acqua supercritica è un solvente interessante per le reazioni chimiche
A temperature e pressioni elevate, l'acqua entra in uno stato in cui liquido e gas sono indistinguibili. La questione dell'aspetto di questo stato a livello molecolare è stata a lungo oggetto di dibattiti controversi.
I ricercatori della Ruhr-Universität Bochum hanno chiarito la struttura dell'acqua supercritica. In questo stato, che si verifica a temperature e pressioni estreme, l'acqua ha le proprietà sia di un liquido che di un gas. Secondo una teoria, le molecole d'acqua in questo stato si assemblano in cluster, all'interno dei quali vengono poi ricollegate da legami a idrogeno. Il team di Bochum è ora riuscito a confutare questa teoria utilizzando una combinazione di spettroscopia terahertz e simulazioni di dinamica molecolare. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances, online il 14 marzo 2025.
Per il lavoro, il gruppo sperimentale ha collaborato con la dott.ssa Katja Mauelshagen, il dott. Gerhard Schwaab e la prof.ssa Martina Havenith della cattedra di Chimica fisica II con il dott. Philipp Schienbein e il prof. Dominik Marx della cattedra di Chimica teorica. Il lavoro è stato inserito nel Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation, in breve RESOLV.
L'acqua supercritica come interessante solvente
L'acqua supercritica non si trova solo in laboratorio, ma anche sulla Terra, ad esempio nelle profondità marine, dove le fumarole nere - un tipo di bocche idrotermali - creano condizioni difficili sul fondo marino. Il limite dello stato supercritico si raggiunge a 374 gradi Celsius e a una pressione di 221 bar. "Conoscere la struttura dell'acqua supercritica potrebbe aiutarci a comprendere meglio i processi in prossimità dei fumaioli neri", afferma Dominik Marx, riferendosi a uno studio in corso su questo tema da parte del suo gruppo di ricerca. "Grazie alle sue particolari proprietà, l'acqua supercritica è interessante anche come solvente per le reazioni chimiche, perché è ecologica e allo stesso tempo offre condizioni di reazione aggressive".
Tuttavia, per poter utilizzare meglio l'acqua supercritica, è necessario conoscere in modo più approfondito i processi al suo interno. Martina Havenith e il suo team hanno utilizzato la spettroscopia terahertz a questo scopo. Mentre altri metodi di spettroscopia possono essere utilizzati per analizzare i legami all'interno di una molecola, la spettroscopia terahertz consente di rilevare i legami tra le molecole, ad esempio i legami a idrogeno, che sarebbero alla base dei cluster sospetti nell'acqua supercritica.
Misurare le cellule sotto pressione
"Sperimentalmente, tuttavia, applicare questo metodo all'acqua supercritica è stata una sfida enorme", spiega Martina Havenith. "Per la spettroscopia terahertz abbiamo bisogno di celle di misura più grandi rispetto ad altri metodi spettroscopici, perché lavoriamo con lunghezze d'onda maggiori". Durante la sua tesi di dottorato, Katja Mauelshagen ha trascorso innumerevoli ore a progettare e costruire una nuova cella adatta e a ottimizzarla in modo che potesse resistere alla pressione e alla temperatura estreme nonostante le sue dimensioni.
Alla fine, la ricercatrice è riuscita a registrare dati dall'acqua che stava per entrare nello stato supercritico e dallo stato supercritico stesso. Mentre gli spettri terahertz dell'acqua liquida e gassosa appaiono molto diversi, gli spettri dell'acqua supercritica e dello stato gassoso erano praticamente identici. Ciò dimostra che allo stato supercritico le molecole d'acqua formano un numero di legami idrogeno altrettanto ridotto che allo stato gassoso. "Quindi non ci sono ammassi molecolari nell'acqua supercritica", riassume Gerhard Schwaab.
Philipp Schienbein, che ha calcolato i processi nell'acqua supercritica nel team di Dominik Marx utilizzando complesse simulazioni di dinamica molecolare ab-initio come parte della sua tesi di dottorato, è giunto alla stessa conclusione. Come nell'esperimento, è stato necessario superare diversi ostacoli, come la determinazione della posizione del punto critico dell'acqua nel laboratorio virtuale.
Le simulazioni si adattano perfettamente ai dati sperimentali
Le simulazioni ab initio hanno dimostrato che due molecole d'acqua rimangono attaccate l'una all'altra solo per un breve periodo di tempo nello stato supercritico e poi si separano nuovamente l'una dall'altra. A differenza di un legame a idrogeno, i legami tra gli atomi di idrogeno e ossigeno non hanno un orientamento fisso, che sarebbe una proprietà centrale dei legami a idrogeno. Il legame idrogeno-ossigeno, invece, ruota permanentemente in una direzione e poi nell'altra. "I legami che esistono in questo stato hanno una vita estremamente breve: 100 volte più breve di quella di un legame a idrogeno nell'acqua liquida", spiega Philipp Schienbein. I risultati delle simulazioni corrispondono perfettamente ai dati sperimentali e forniscono un quadro molecolare completo della dinamica strutturale dell'acqua allo stato supercritico.
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