I chimici scoprono il punto di congelamento dell'acqua superraffreddata

È facile immaginare che l'acqua debba essere uno dei materiali meglio compresi nella scienza. Dopotutto, questo liquido è forse la sostanza meglio studiata sulla Terra. Ma la verità è che molte delle sue proprietà ancora confondono gli scienziati.

Un enigma irrisolto è il suo punto di congelamento. Gli scienziati sanno da molti anni che è possibile raffreddare l'acqua liquida ben al di sotto degli zero gradi centigradi senza che si congeli. Questo perché l'acqua ha bisogno di qualche evento di nucleazione per innescare il processo di formazione del ghiaccio. Senza nucleazione del ghiaccio, rimane liquido.

Ma quanto in basso puoi andare?

Oggi abbiamo una sorta di risposta grazie al lavoro di Emily Moore e Valeria Molinero dell'Università dello Utah a Salt Lake City.

Parte del problema è che gli esperimenti per misurare la temperatura di congelamento sono così difficili da eseguire che nessuno li ha gestiti. Ma le prove indicano la probabilità che i cristalli di ghiaccio inizino comunque a formarsi a temperature di circa -41 C.

L'acqua superraffreddata dovrebbe gelare intorno a questa temperatura ma nessuno è riuscito a misurarla perché inizia sempre a gelare prima.

Moore e Molinero aggirano questo problema simulando il comportamento di congelamento di oltre 250.000 molecole d'acqua su un computer. Quello che scoprono è che una volta che il processo naturale di formazione del ghiaccio inizia a verificarsi, l'acqua non può rimanere liquida a temperature molto più basse.

In effetti, la loro simulazione indica che il punto di congelamento naturale dell'acqua superraffreddata è di circa -43 °C, appena al di sotto della temperatura alla quale si formano naturalmente i cristalli di ghiaccio. È come previsto, ma la simulazione fornisce anche nuove informazioni sul modo in cui si verifica questo congelamento.

In questo stato, l'acqua è una miscela di ghiaccio a bassa densità e molecole d'acqua che sono sul punto di diventare ghiaccio, ciò che i chimici chiamano quattro coordinate, nel senso che ogni molecola è collegata ad altre quattro. La struttura delle quattro acque coordinate sembra avere un impatto importante sulla velocità con cui si può formare il ghiaccio e questo è ciò che determina il punto di congelamento.

C'è un avvertimento importante, tuttavia. Le simulazioni richiedono una correzione importante prima di produrre un risultato fisicamente realistico. Per qualche ragione, suggeriscono che la formazione naturale del ghiaccio inizia a verificarsi a circa -71°C e che l'acqua superraffreddata si congela a circa -73°C.

Sono 30 gradi in meno rispetto al mondo reale. Per aggirare questo problema, Moore e Molinero aggiungono semplicemente 30 gradi a tutti i loro risultati. Non è chiaro il motivo per cui la simulazione è così superata.

Se il lavoro è valido, tuttavia, potrebbe avere un impatto importante in altre aree della scienza.

La temperatura alla quale l'acqua superraffreddata si congela è un fattore importante nella formazione delle nubi. E piccoli cambiamenti in questo processo, quando inseriti nei modelli di cambiamento climatico, possono avere un grande impatto sulle previsioni sul futuro della Terra.

Non è ancora chiaro come i nuovi numeri cambieranno esattamente le previsioni climatiche. E, naturalmente, i climatologi vorranno prove migliori di una simulazione al computer leggermente traballante. Ma è un discreto passo avanti e vale la pena tenerlo d'occhio per la sua influenza altrove nella scienza.

Rif: arxiv.org/abs/1107.1622: La trasformazione strutturale nell'acqua superraffreddata controlla il tasso di cristallizzazione del ghiaccio

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