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Le forme dell’acqua

Un nuovo studio numerico, risultato di una collaborazione tra la Sapienza Università di Roma e la Princeton University, ha dimostrato per la prima volta l’esistenza di due diverse forme di acqua, ovvero di due distinte fasi liquide che a bassissime temperature si separano, galleggiando l’una sull’altra. Il lavoro, pubblicato sulla rivista Science, apre nuove strade alla comprensione dei misteri legati al liquido della vita

forme acqua
In questa serie di immagini, la molecola centrale (rossa) è legata attraverso legami idrogeno con le molecole vicine. In verde sono indicate le molecole che accettano il protone dalla molecola centrale, in giallo le molecole che donano il protone alla molecola centrale. In viola, molecole non direttamente legate alla molecola centrale.
L’ immagine di sinistra rappresenta una molecola con intorno una struttura tetraedrica, con quattro legami idrogeno (due verdi, due gialli). Al centro il caso di una molecola con cinque legami idrogeno (due verdi, tre gialli) e a destra il caso di una molecola centrale che forma solo tre legami idrogeno (due verdi ed un giallo). Il liquido a bassa densità è tutto formato da molecole tetraedriche. Il liquido ad alta densità include anche molecole con tre e cinque legami.

 

Ogni liquido assume la forma del contenitore che lo accoglie. Sappiamo che è così perché riusciamo a osservarlo direttamente con i nostri occhi. Eppure questa affermazione vale solo a livello macroscopico. A livello molecolare infatti ogni liquido ha una forma propria determinata dalla posizione spaziale in cui si dispongono le molecole che lo compongono.

L’acqua, il liquido della vita, potrebbe invece essere differente e avere, non una, ma bensì due forme molecolari diverse: una forma in cui localmente ogni molecola è circondata da quattro altre molecole disposte con una geometria tetraedrica (ordinata) e con le quali forma dei legami particolarmente intensi (i legami idrogeno), e una in cui la struttura tetraedrica invece è significativamente distorta, ovvero una configurazione più disordinata, in cui alcune molecole formano solo tre o cinque legami idrogeno.

La competizione tra queste due strutture spiegherebbe le anomalie dell’elemento più prezioso e abbondante della Terra: l’acqua infatti ha un comportamento che differisce da quello di tutti gli altri liquidi esistenti in natura. Per esempio come solido ha una densità inferiore che come liquido (si spiega così il galleggiamento del ghiaccio), ha un calore specifico molto alto (è in assoluto il liquido che impiega più tempo per riscaldarsi), ha una tensione superficiale elevata (le gocce d’acqua rimangono integre su molte superfici, come sulle foglie delle piante, e non si espandono come gli altri liquidi).

Nonostante i molteplici lavori, teorici e sperimentali condotti negli ultimi venti anni, non sono state prodotte prove definitive del ruolo giocato da queste due strutture all’interno dell’acqua.

Un nuovo studio pubblicato sulla rivista Science fornisce una prova inequivocabile, basata sui più accurati modelli oggi disponibili, che l’unicità dell’acqua dipenda proprio dalla non univocità della sua forma. Il lavoro, frutto della collaborazione scientifica fra Francesco Sciortino del Dipartimento di Fisica della Sapienza di Roma e il team di Pablo Debenedetti della Princeton University (USA), ha dimostrato per la prima volta che a temperature bassissime la “competizione” tra le due strutture genera due fasi liquide ben distinte, con diversa densità e che il passaggio tra le due “acque” costituisce una vera e propria transizione di fase, esattamente come avviene, ad esempio, da una fase solida a una gassosa.

In particolare, i ricercatori hanno visto che al di sotto della temperatura di circa 180 gradi Kelvin, l’equivalente di -90 gradi Celsius, dove l’acqua è metastabile rispetto al ghiaccio, la densità del liquido comincia a oscillare fra due valori: liquido a bassa densità e liquido ad alta densità.

“Come il ghiaccio che galleggia sull’acqua – spiega Francesco Sciortino – sotto i 180 gradi Kelvin, l’acqua di bassa densità galleggia sopra l’acqua di alta densità. Abbiamo dimostrato, con modelli alquanto accurati, un punto critico per la transizione liquido-liquido: la prova teorica che serviva per convincere la comunità scientifica che è possibile avere un sistema puro (una sola componente) con più di una fase liquida”.

Per raggiungere questi risultati sono state necessarie simulazioni estremamente lunghe di sistemi particolarmente grandi, un vero tour-de-force numerico che ha richiesto una enorme quantità di risorse di calcolo, sia a Roma che a Princeton. Gli autori infatti hanno risolto le equazioni del moto che descrivono l’evoluzione del liquido per ben 100 miliardi di volte di seguito coprendo così un intervallo temporale di circa 100 microsecondi, per osservare la transizione tra i due liquidi che avviene sulla scala di decine di microsecondi, prima che l’acqua cristallizzi.

“Grazie a questo lavoro – conclude Sciortino – disponiamo di un modello e di dati numerici accurati che ci consentiranno in futuro di osservare la struttura molecolare su scala subnanometrica, per dimostrare sperimentalmente questa transizione di fase e per scartare scenari termodinamici rivelatisi inadeguati a coglierne l’esistenza”.

 

 

Riferimenti:

Second critical point in two realistic models of water – Pablo G. Debenedetti, Francesco Sciortino, Gül H. Zerze – Science  17 Jul 2020 DOI: 10.1126/science.abb9796

 

Testo, video e immagine sulle forme dell’acqua dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma.

MOLECOLE FLUORESCENTI ATTIVANO REAZIONI CHIMICHE “GREEN”

TEAM DI CA’ FOSCARI DIMOSTRA POTENZIALITÀ DEI CARBON DOTS 

Su Green Chemistry studio che apre la strada a nuove applicazioni di economia circolare. Ora test sulle nanoparticelle ricavate da scarti ittici

molecole fluorescenti

VENEZIA – Scienziati dell’Università Ca’ Foscari Venezia hanno dimostrato per la prima volta la possibilità di innescare reazioni chimiche illuminando nanoparticelle di carbonio di origine naturale, aprendo la strada a nuove scoperte e applicazioni nel campo della chimica verde. Il risultato è stato pubblicato dalla prestigiosa rivista scientifica Green Chemistry, edita dalla Royal Society of Chemistry.

Protagonisti sono i carbon dots, nanoparticelle di carbonio, note per proprietà come la luminescenza e per questo studiate in medicina nella diagnostica per immagini e come vettori per farmaci. Il team cafoscarino è riuscito a sfruttare la luminescenza per attivare reazioni di chimica organica partendo da particelle ottenute da acido citrico, un composto naturalmente abbondante negli agrumi, che si candida quindi a sostituire metalli rari, tossici, costosi ed inquinanti oggi utilizzati dall’industria.

Maurizio Selva e Alvise Perosa

“Una molecola è fotoluminescente quando, eccitata con una determinata radiazione elettromagnetica, emette poi a una lunghezza d’onda diversa, per esempio nel campo dell’UV  o del visibile con colori che vanno dal blu, al giallo fino al rosso – spiega Alvise Perosa, professore di Chimica organica al Dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi – ci siamo chiesti se fosse possibile, illuminando i carbon dots alla giusta frequenza, sfruttare l’energia emessa per innescare reazioni, cioè usare quelle particelle come fotocatalizzatori. Abbiamo dimostrato che questo è possibile ed è una buona notizia per la transizione alla chimica verde”.

“Per la prima volta la corrente generata illuminando i carbon dots è stata usata per una reazione organica – aggiunge Emanuele Amadio, coautore dello studio come assegnista di ricerca di Ca’ Foscari – ci siamo riusciti dopo due anni di lavoro dalla prima intuizione”.

Rendere sempre più green questo processo significa ora procurarsi la materia prima (come acido citrico e glucosio) direttamente dagli scarti alimentari e non dall’energivora sintesi industriale. “La ricerca continua con l’obiettivo di promuovere l’economia circolare – spiega Perosa – che significa produrre carbon dots da materie prime naturali e rinnovabili, meglio se di scarto”.

Il Green Organic Synthesis Team di Ca’ Foscari guidato da Maurizio Selva e Alvise Perosa sta attualmente sperimentando la possibilità di estrarre carbon dots dalle squame del pesce o dai carapaci dei crostacei, tra i principali rifiuti dell’industria ittica. Su questo progetto, avviato lo scorso anno dal professor Selva in collaborazione con il collega Thomas Maschmeyer dell’Università di Sydney, è impegnata Carlotta Campalani, dottoranda in Chimica, che spiega: “Data la composizione chimica delle squame di pesce, ricche di azoto, puntiamo a ricavare carbon dots altamente luminescenti”.

I carbon dots sono nanoparticelle di carbonio note per la proprietà della luminescenza, non tossiche e biocompatibili, stabili e solubili in acqua, economiche da produrre e la loro sintesi richiede solo materia prima ed acqua, quindi non prevede l’utilizzo di solventi dannosi per l’uomo e per l’ambiente.

L’articolo: “Carbon dots as photocatalysts for organic synthesis: metal-free methylene–oxygen-bond photocleavage”, Green Chemistry

Simone Cailotto, Matteo Negrato, Salvatore Daniele, Rafael Luque, Maurizio Selva, Emanuele Amadio, Alvise Perosa

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/gc/c9gc03811f

 

Testo e foto dell’articolo sulle molecole fluorescenti e i carbon dots dall’Ufficio Comunicazione e Promozione di Ateneo Università Ca’ Foscari di Venezia

Le news di Ca’ Foscari: news.unive.it