L’acqua è ovunque ed essenziale per la vita, eppure non si comporta come la maggior parte degli altri liquidi. Proprietà come la densità, la capacità termica, la viscosità e la comprimibilità reagiscono alla temperatura e alla pressione in modi opposti a quelli che gli scienziati osservano nelle sostanze tipiche.

Nella maggior parte dei materiali, il raffreddamento ne provoca la contrazione e l’aumento di densità. Seguendo questo principio, l’acqua dovrebbe raggiungere la sua massima densità quando congela. Invece, il ghiaccio galleggia e l’acqua liquida è in realtà più densa a 4 gradi Celsius. Ecco perché l’acqua più fredda rimane al di sotto di quella più calda nei laghi e negli oceani.

Quando l’acqua viene raffreddata al di sotto dei 4 gradi, ricomincia ad espandersi. Se l’acqua pura viene raffreddata al di sotto di 0 gradi (dove la cristallizzazione avviene lentamente), questa espansione continua e addirittura accelera con l’ulteriore abbassamento della temperatura. Anche altre proprietà, tra cui la compressibilità e la capacità termica, si comportano in modo sempre più anomalo al diminuire della temperatura.

Per studiare questi strani comportamenti, gli scienziati hanno utilizzato impulsi di raggi X estremamente rapidi generati da potenti laser in Corea del Sud. Questi impulsi hanno permesso loro di osservare l’acqua allo stato superraffreddato appena prima che si trasformasse in ghiaccio.

“La particolarità è stata la possibilità di effettuare radiografie a una velocità inimmaginabile prima che il ghiaccio si congelasse, osservando come la transizione liquido-liquido svanisce e emerge un nuovo stato critico”, afferma Anders Nilsson, professore di fisica chimica presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Stoccolma. “Per decenni si sono susseguite speculazioni e diverse teorie per spiegare queste straordinarie proprietà, e una di queste ipotizzava l’esistenza di un punto critico. Ora abbiamo scoperto che tale punto esiste davvero.”

Due forme liquide dell’acqua e una transizione critica

A basse temperature e alta pressione, l’acqua può esistere in due fasi liquide distinte con diverse strutture di legame molecolare. Al variare delle condizioni, queste due forme si fondono in un’unica fase al punto critico.

In prossimità di questo punto, il sistema diventa altamente instabile e l’acqua passa rapidamente da uno stato liquido all’altro o a miscele di entrambi. Queste fluttuazioni si estendono a un ampio intervallo di temperature e pressioni, raggiungendo persino le normali condizioni ambientali. Gli scienziati ritengono che siano proprio questi continui cambiamenti a conferire all’acqua le sue caratteristiche peculiari.

Oltre il punto critico, l’acqua entra in uno stato supercritico e, nelle condizioni normali, si trova già in questo regime.

Un effetto “simile a un buco nero” nella dinamica dell’acqua.

I ricercatori hanno inoltre scoperto che il movimento molecolare rallenta drasticamente man mano che l’acqua si avvicina al punto critico.

“Sembra quasi che, una volta entrati nel punto critico, non si possa più sfuggire, quasi come in un buco nero”, afferma Robin Tyburski, ricercatore di fisica chimica presso l’Università di Stoccolma.

Una svolta attesa da decenni.

“È incredibile come i ghiacci amorfi, uno stato dell’acqua così ampiamente studiato, siano diventati la nostra porta d’accesso alla regione critica. È una grande fonte di ispirazione per i miei studi futuri e un promemoria delle possibilità di fare scoperte in argomenti ampiamente studiati come l’acqua”, afferma Aigerim Karina, ricercatore post-dottorato in fisica chimica presso l’Università di Stoccolma.

“Poter misurare l’acqua a temperature così basse senza congelarla è stato un sogno che si è avverato”, afferma Iason Andronis, dottorando in Fisica Chimica all’Università di Stoccolma. “Molti hanno sognato di raggiungere questo punto critico, ma prima dello sviluppo dei laser a raggi X non erano disponibili i mezzi necessari.”

“Trovo davvero entusiasmante il fatto che l’acqua sia l’unico liquido supercritico in condizioni ambientali in cui esiste la vita, e sappiamo anche che non c’è vita senza acqua. Si tratta di una pura coincidenza o c’è qualche conoscenza fondamentale che potremo acquisire in futuro?”, afferma Fivos Perakis, professore associato di Fisica Chimica all’Università di Stoccolma.

Risolvere un mistero centenario sull’acqua

“Da oltre un secolo, fin dai primi lavori di Wolfgang Röntgen, si discute intensamente sull’origine delle strane proprietà dell’acqua”, spiega Anders Nilsson. “I ricercatori che studiano la fisica dell’acqua possono ora concordare sul modello secondo cui l’acqua ha un punto critico nel regime di superraffreddamento. La fase successiva consiste nel comprendere le implicazioni di queste scoperte sull’importanza dell’acqua nei processi fisici, chimici, biologici, geologici e climatici. Una grande sfida per i prossimi anni.”

La collaborazione internazionale alla base della scoperta

Questa ricerca ha coinvolto la collaborazione tra l’Università di Stoccolma, la POSTECH University e il PAL-XFEL in Corea del Sud, la Società Max Planck, l’Università Johannes Gutenberg in Germania e la St. Francis Xavier University in Canada. Tra i collaboratori figurano Aigerim Karina, Robin Tyburski, Iason Andronis e Fivos Perakis, insieme ad ex membri del gruppo di Fisica Chimica dell’Università di Stoccolma.