Le molecole d’acqua non saltano da sole
Nella dinamica dell’acqua, qual è il ruolo della rete di legami a idrogeno delle molecole d’acqua? Una nuova ricerca, sostenuta in parte dal progetto HyBOP, finanziato dall’UE, ha fornito una risposta a questa domanda. Lo studio, pubblicato sulla rivista «Nature Communications», fa luce su come la riorganizzazione della rete di legami a idrogeno sia legata alle dinamiche di riorientamento collettivo nell’acqua liquida. «La rete di legami a idrogeno non è fissa, ma cambia continuamente a causa delle fluttuazioni termiche e di altri fattori che rompono e formano i singoli legami a idrogeno», spiega il primo autore dello studio, il dott. Adu Offei-Danso dell’Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP), che ha sede in Italia, in un recente articolo pubblicato sul sito web del centro. Offei-Danso aggiunge: «Queste fluttuazioni della rete di legami a idrogeno sono cruciali per vari processi fisici, chimici e biologici che avvengono nell’acqua liquida, ed è per questo che è così importante comprenderne il meccanismo microscopico».
Isolate o no?
Più di 10 anni fa alcuni ricercatori hanno scoperto che le rotazioni delle molecole d’acqua (che si ritiene svolgano un ruolo importante nella dinamica dei legami a idrogeno) non avvengono mediante piccoli passi diffusivi, ma comportano in genere grandi salti improvvisi. «Si pensava che questi salti ad angoli ampi fossero eventi isolati», osserva il coautore dello studio, il dott. Ali Hassanali, sempre dell’ICTP. «Quando avvengono queste rotazioni improvvise e rapide, si verifica la rottura e la formazione di legami a idrogeno con le molecole vicine, che dunque alterano la rete locale di legami a idrogeno.» Ma che cosa succede alle altre molecole d’acqua della rete quando si verificano questi salti? Rimangono inerti o partecipano attivamente a un processo più collettivo? «È proprio questo che volevamo scoprire», afferma Hassanali. Gli scienziati hanno effettuato simulazioni al computer dell’acqua liquida, hanno adottato approcci di fisica statistica per comprendere il comportamento collettivo e hanno utilizzato tecniche di scienza dei dati per aggirare o ridurre l’intervento umano. «Per dimostrare l’esistenza di un processo collettivo nella dinamica di riorientamento dell’acqua, dovevamo innanzitutto individuare un’osservabile in grado di catturare il brusco movimento angolare delle molecole d’acqua», osserva Offei-Danso. Il gruppo di ricerca ha utilizzato questa osservabile per sviluppare uno strumento che permettesse di vedere un gran numero di salti angolari avvenire simultaneamente nel sistema. «Oltretutto, abbiamo scoperto che si verificano in modo altamente orchestrato e coordinato», osserva Offei-Danso. Uriel Morzan, coautore dello studio e ricercatore senior dell’ICTP, descrive la forte interazione osservata dal gruppo di ricerca fra la rotazione angolare delle molecole d’acqua e i cambiamenti nella topologia e nella densità della rete di legami a idrogeno: «Il quadro che emerge dai nostri risultati è quello di una cascata di fluttuazioni dei legami a idrogeno in seguito a un grande salto». Queste fluttuazioni innescano poi una successiva ondata di salti angolari piccoli e grandi. «La nostra analisi mostra un riorientamento collettivo e riarrangiamenti della rete che coinvolgono diversi gruppi più grandi di molecole vicine sparse in tutto il sistema», conclude il dott. Alex Rodriguez, coautore dell’articolo e ricercatore presso l’Università di Trieste. Lo studio pone le basi per ulteriori ricerche sul ruolo della dinamica cooperativa in vari processi fisici, chimici e biologici. Il progetto quinquennale HyBOP (Hydrogen Bond Networks as Optical Probes) si concluderà nel 2027. Per ulteriori informazioni, consultare il sito: progetto HyBOP
Parole chiave
HyBOP, acqua, molecola, legame a idrogeno, rete di legami a idrogeno, movimento angolare
