Svelare i segreti di ciò che rende unica l’acqua
L’acqua è il materiale più comune, ma forse meno compreso, sulla Terra. Questo perché si comporta in modo molto diverso dagli altri liquidi. Gli scienziati non hanno ancora capito bene il perché di questo fenomeno. «Ci sono letteralmente decine di anomalie», spiega John Russo, coordinatore del progetto SOFTWATER, della Università La Sapienza in Italia. «Per esempio, il ghiaccio è meno denso dell’acqua liquida e per questo galleggia. Questo è l’opposto della maggior parte degli altri liquidi».
Scoprire le proprietà materiali dell’acqua
È quasi impossibile sopravvalutare l’importanza dell’acqua. Tutte le forme di vita dipendono da essa e costituisce circa la metà del volume di ogni cellula biologica vivente. È anche un elemento cruciale nei processi produttivi ed è centrale per il sistema climatico del nostro pianeta. Capire esattamente dove sono codificate le proprietà materiali dell’acqua potrebbe quindi essere la chiave per sbloccare la conoscenza di un’intera gamma di questioni. L’ambizioso progetto SOFTWATER, sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca, si proponeva di applicare tecniche computazionali per cercare di scoprire i segreti dell’acqua. Ciò è stato possibile grazie allo sviluppo di modelli computazionali dei legami a idrogeno tetraedrici dell’acqua. Questi modelli sono stati gradualmente modificati, fino a far scomparire le proprietà anomali dell’acqua. «L’idea era che questo ci avrebbe detto cosa rende l’acqua speciale e cosa dobbiamo cambiare per far sì che essa si comporti in modo più simile agli altri liquidi», spiega Russo. «La tecnica computazionale ci ha permesso di scoprire comportamenti che normalmente sono molto difficili da catturare».
Approcci computazionali per comprendere il comportamento dei materiali
Un successo fondamentale del progetto è stato infatti dimostrare l’utilità degli approcci computazionali per la comprensione del comportamento dei materiali. Molti scienziati ritengono che i segreti di ciò che rende l’acqua «acqua» possano trovarsi in uno stato di profondo raffreddamento. È difficile da raggiungere sperimentalmente senza che l’acqua cambi e formi cristalli. «Questo stato è quello che molti scienziati chiamano terra di nessuno, perché è così difficile da raggiungere», aggiunge. «Con il nostro approccio computazionale, abbiamo reso questo aspetto più accessibile e più facile da studiare». Russo è stato anche il pioniere di un nuovo modo di concepire l’acqua, definendola un «liquido mezzo vuoto». Egli osserva che l’acqua è meno densa di altri liquidi e rimane stabile quando si raffredda. Al contrario, gli altri liquidi diventano gradualmente più densi man mano che si raffreddano. «L’acqua rimane “vuota”, fino a un certo punto», osserva. «Quando si raggiunge questo punto e l’acqua diventa più densa, si verifica un effetto a cascata. Questo potrebbe spiegare altre proprietà anomale. Questo concetto di “liquido mezzo vuoto” è un nuovo modo di pensare all’acqua».
Modelli più accurati degli andamenti climatici
Russo osserva che le potenziali applicazioni di questo lavoro sono incredibilmente ampie. Capire il comportamento dell’acqua - e perché si comporta in quel modo - potrebbe aiutare gli scienziati a modellare più accuratamente gli andamenti climatici, ad esempio. La «messa a punto» di altre molecole affinché si comportino in modo più simile all’acqua potrebbe anche creare nuove opportunità industriali. A tal fine, Russo vorrebbe verificare se il suo approccio computazionale per «mettere a punto» le molecole possa essere applicato su scala più ampia con i colloidi, dove particelle insolubili sono sospese in un’altra sostanza. «Ci sono implicazioni per tutti i settori che hanno a che fare con l’acqua», afferma. «La necessità di comprendere il comportamento dell’acqua è un campo molto vasto».
Parole chiave
SOFTWATER, acqua, ghiaccio, liquidi, calcolo, clima, idrogeno