Come l'acqua nasconde il suo segreto quantistico
I ricercatori dimostrano sperimentalmente perché l'acqua e l'acqua pesante si comportano in modo simile
Quasi tre quarti della Terra sono coperti dall'acqua. L'acqua è il liquido più abbondante, ma anche il più strano: ad esempio, ha la sua massima densità a 4 °C. I ricercatori Yuki Nagata e Mischa Bonn del MPI per la ricerca sui polimeri hanno ora studiato in laboratorio l'acqua normale -H2O- e l'acqua pesante - D2O- e hanno scoperto perché i due elementi si comportano in modo simile, anche se gli atomi di deuterio (D) sono due volte più pesanti degli atomi di idrogeno (H). Le loro indagini possono spiegare, ad esempio, perché i punti di congelamento dei due tipi di acqua sono più vicini di quanto ci si aspetterebbe inizialmente.
Oltre il 70% della Terra è ricoperto di acqua -H2O. Una percentuale quasi trascurabile, pari a pochi millesimi, è costituita da "acqua pesante", in cui gli atomi di idrogeno (H) sono sostituiti da atomi di deuterio (D). Il deuterio ha un neutrone in più nel suo nucleo rispetto all'idrogeno e pesa circa il doppio.
Ci si aspetterebbe quindi che l'acqua pesante, in cui due atomi due volte più pesanti sono legati all'atomo di ossigeno, differisca significativamente nelle sue proprietà dall'acqua normale. In realtà, però, le temperature di congelamento dei due tipi di acqua differiscono di soli 4 °C. I ricercatori dell'Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri, guidati dal direttore Mischa Bonn, sono ora riusciti a dimostrare per la prima volta che questo è dovuto a due speciali effetti quantomeccanici - i cosiddetti effetti quantici nucleari (NQE) - che si compensano a vicenda.
Secondo la meccanica quantistica, gli atomi continuano a muoversi anche allo zero assoluto, cioè a -273 °C. Essi "oscillano" o "tremano": Essi "oscillano" o "tremano" leggermente intorno a una posizione centrale. Questo fenomeno viene definito "energia di punto zero". Gli atomi di idrogeno nell'acqua normale non si trovano quindi a una distanza definita e fissa dall'atomo di ossigeno, ma in una certa "nuvola" che si estende intorno a una distanza media. Poiché l'idrogeno è un atomo di massa così bassa, queste nubi di idrogeno sono grandi, le NQE sono pronunciate e la vibrazione ha una grande ampiezza.
Se l'idrogeno viene sostituito dal più pesante deuterio, gli atomi vibrano meno. La distanza media si riduce, il che significa che l'atomo di deuterio si avvicina all'atomo di ossigeno. Come risultato di questo cosiddetto effetto intramolecolare, l'espansione spaziale di una molecola d'acqua si riduce. Contemporaneamente, la distanza dalla molecola d'acqua successiva aumenta, riducendo l'energia di legame.
L'energia di legame è una misura della facilità con cui due molecole d'acqua possono essere separate l'una dall'altra, ad esempio durante la transizione dal ghiaccio all'acqua liquida.
Allo stesso tempo, però, l'atomo di deuterio può oscillare non solo nella direzione della linea di legame con l'atomo di ossigeno, ma anche perpendicolarmente ad essa. Quando si scambia l'idrogeno con il deuterio, questo cosiddetto effetto intermolecolare contrasta l'effetto intramolecolare: mentre uno riduce l'energia di legame, l'altro aumenta l'energia di legame in misura comparabile.
Le temperature di congelamento differiscono solo leggermente perché i due effetti quantomeccanici hanno effetti opposti sull'energia di legame e si compensano approssimativamente a vicenda.
Per misurare questi effetti sottili, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia di generazione a somma di frequenza rilevata da eterodina (HD-SFG). Questo metodo ha permesso di studiare lo strato d'acqua superiore all'interfaccia aria-acqua, dove le molecole d'acqua esistono con un'estremità "libera" che non è attaccata ad altre molecole d'acqua. Analizzando attentamente gli spettri vibrazionali dell'acqua con diverse proporzioni di idrogeno e deuterio, gli scienziati hanno potuto dedurre e quantificare le singole componenti energetiche inter- e intramolecolari.
Il lavoro, pubblicato sulla rivista Science Advances, fornisce la prima prova sperimentale della competizione e del quasi completo annullamento degli effetti quantistici intramolecolari e intermolecolari nell'acqua, che per lungo tempo sono stati previsti solo a livello teorico. Il risultato evidenzia l'importanza di considerare questi fenomeni quantistici quando si cerca di comprendere il comportamento dell'acqua. Ciò ha implicazioni per campi che vanno dalla ricerca sul clima alla biochimica, dove le proprietà dell'acqua giocano un ruolo cruciale. Inoltre, l'approccio innovativo del team apre nuove strade per lo studio degli effetti quantistici in altri sistemi complessi.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Altre notizie dal dipartimento scienza
