Le diverse fasi di viscosità e densità dell’acqua liquida

Le diverse fasi di viscosità e densità dell'acqua liquida
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Le due forme dell’acqua liquida. A temperature molto vicine a quella di congelamento l’acqua oscilla fra due fasi che si differenziano tra loro per densità e viscosità. La scoperta conferma un’ipotesi avanzata oltre un secolo fa per spiegare le differenze di comportamento dell’acqua rispetto a tutti gli altri liquidi.

A basse temperature l’acqua allo stato liquido può trovarsi in due fasi differenti con un diverso grado di viscosità e densità. A scoprirlo è stato un gruppo di ricercatori dell’Università di Stoccolma che firmano un articolo pubblicato sui ” Proceedings of the National Academy of Science”.

Anders Nilsson e colleghi sono giunti a questa scoperta cercando le ragioni per cui il ghiaccio può presentarsi in numerose differenti forme. Anche se normalmente pensiamo al ghiaccio come a un solido cristallino, in realtà buona parte di quello che si trova sulla Terra è allo stato amorfo (vetroso), che peraltro può presentarsi in due forme, caratterizzate da densità diverse tra loro.

Illustrazione delle due forme dell’acqua come liquido viscoso a due differenti densità. (Cortesia Mattias Karlén)
Illustrazione delle due forme dell’acqua come liquido viscoso a due differenti densità. (Cortesia Mattias Karlén)

L’ipotesi da cui sono partiti i ricercatori è che queste due differenti forme di ghiaccio siano correlate ad altrettante forme assunte dall’acqua a temperature prossime al congelamento; l’esistenza di queste forme era già stata ipotizzata oltre un secolo fa dal pioniere dello studio dei raggi X, Wolfgang Röntgen, sulla base delle singolari proprietà dell’acqua. L’acqua si comporta infatti in modo differente rispetto agli altri liquidi, differenziandosene per una settantina di proprietà, dall’aumento di volume quando congela alla risposta ai cambiamenti di pressione.
Sfruttando le sofisticate apparecchiature per la spettroscopia ultraveloce in raggi X dell’impianto DESY ad Amburgo e dell’Argonne Laboratory a Chicago, i ricercatori hanno seguito il comportamento e la posizione relativa delle molecole d’acqua allo stato liquido. In questo modo hanno scoperto che a temperature molto prossime a quelle di congelamento, quando il processo di cristallizzazione del ghiaccio è lento e instabile, l’acqua prende la forma di un liquido viscoso che quasi immediatamente si trasforma in un liquido diverso, ancora più viscoso ma di densità molto inferiore.
Sulla base dei dati raccolti, osservano i ricercatori, è come se l’acqua non fosse in grado di “decidere” in quale delle due forme dovrebbe trovarsi, e questo spiegherebbe le sue strane proprietà. In un certo senso, osserva Lars G.M. Pettersson, coautore dello studio, si potrebbe dire che “l’acqua non è un liquido dal comportamento complicato, ma due liquidi semplici con un rapporto complicato”.
“È particolarmente emozionante – ha commentato Daniel Mariedahl, altro coautore dello studio – che queste nuove informazioni siano state ottenute grazie ai raggi X scoperti da Röntgen, che aveva per primo ipotizzato che le strane proprietà l’acqua siano dovute a due sue diverse forme.”

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