Un liquido diverso dagli altri. Acqua controcorrente

“Laudato sì, mi’ Signore per sor’aqua, / la quale è multo utile et / humile et pretiosa et casta”,

recita il Cantico delle creature di S.Francesco.

L’acqua è realmente da sempre sinonimo di vita, utile e al tempo stesso preziosa.

Se ne sta cercando traccia su ogni corpo celeste indagabile: laddove se ne trovasse, testimonierebbe l’esistenza di una qualche forma di vita.

Utile e preziosa, dunque; ma allo stesso tempo, come liquido, dal comportamento strano e inusuale, diverso dagli altri liquidi, che da secoli ha affascinato gli scienziati e che continua a rimanere tuttora, per certe sue proprietà, alquanto enigmatico.

Ghiaccio clatrato idrato. Stato solido dell’acqua, con gli atomi di ossigeno rappresentati da sfere e i legami idrogeno da linee. Lo studio ha mostrato come le strutture cristalline complesse siano il risultato delle interazioni dell’acqua. (crediti: Università di Bristol)

E’ stato tuttavia pubblicato questa settimana, negli Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti, il risultato di una ricerca, frutto della collaborazione con cui gli studiosi delle Università di Bristol e di Tokyo hanno tentato un nuovo approccio per studiare e conciliare il comportamento dell’acqua con quello comune tra le altre sostanze allo stato liquido.

Difatti, contrariamente agli altri liquidi, l’acqua, sotto determinate pressioni, diviene meno viscosa o – altra stranezza – la sua tensione superficiale, che è insolitamente elevata, consente agli insetti di camminare sulla sua superficie.

Queste ed altre anomalie sono di fondamentale importanza in numerosi processi naturali e tecnologici, come il clima terrestre o la possibilità della vita stessa.

Da un punto di vista antropico, per le proprietà così uniche, è come se la molecola dell’acqua fosse stata ‘creata’ o messa a punto di proposito.

Si potrebbe affermare, senza tema di smentita, che se non ci fosse stata, avrebbe dovuto essere inventata!

Iniziando con l’osservare che le proprietà anomale dell’acqua sembrano apparire tutte ben sintonizzate, la ricerca condotta da John Russo, della School of Mathematics dell’Università di Bristol e dal professor Hajime Tanaka, dell’Università di Tokyo, si è avvalsa di potenti supercomputer che hanno usato modelli computazionali per inserirsi gradualmente nelle interazioni molecolari dell’acqua.

Questo procedimento ha mostrato come le proprietà anomale dell’acqua possano essere modificate e alla fine ricondotte a quelle di un altro liquido qualsiasi.

Ad esempio, si può modificare la densità del ghiaccio, che di norma galleggia sull’acqua, fino a farlo affondare; e lo stesso si può fare per tutte le altre sue ‘stranezze comportamentali’.

La formula chimica più semplice dell’acqua è H2O, chiamata anche ‘formula grezza’ perchè indica solo il numero degli atomi che entrano nella formula minima: due atomi di idrogeno ed uno di ossigeno.

Altro è la formula strutturale, la geometria con cui gli atomi si legano e sono disposti nello spazio a costituire la struttura vera e propria, l’edificio cristallino in senso lato (non si può infatti parlare di cristalli per un liquido).

Gli atomi di idrogeno e l’atomo di ossigeno sono tenuti insieme da legami covalenti, legami cioè in cui i due atomi (H e O) si scambiano reciprocamente elettroni. Ora, nel caso dell’acqua, gli elettroni ‘trascorrono più tempo’ vicino all’atomo di ossigeno, conferendogli una carica negativa. In questo modo la molecola diviene negativa da un lato rispetto all’altro; assume cioè un polo negativo ed uno positivo. In altri termini, si comporta da dipolo.

Una singola molecola d’acqua può formare al masssimo quattro cosiddetti ‘legami a idrogeno’ che vanno a costituirsi, spazialmente in un tetraedro.

“Con il nostro procedimento”, dice Russo, “abbiamo verificato la presenza della particolare disposizione delle molecole dell’acqua, la disposizione tetraedrica, in cui una molecola d’acqua ha legami a idrogeno con quattro molecole situate sui vertici di un tetraedro.

“Quattro di questi legami tetraedrici possono organizzarsi in modo tale da condividere una molecola d’acqua in comune, posta al centro del tetraedro, senza sovrapposizioni”.

E’ dunque la presenza di questa disposizione altamente ordinata delle molecole d’acqua, mescolata con altre disposizioni disordinate, a conferire all’acqua le sue peculiari proprietà.