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Giovedì, Ottobre 19, 2017
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Il mistero scientifico del punto di congelamento dell'acqua

Perché l'acqua congeli, zero gradi Celsius possono non essere affatto sufficienti: per essere sicuri che si trasformi in ghiaccio può essere necessario arrivare a temperature molto più basse, ed esattamente a - 48° C.

A stabilirlo è una ricerca condotta da Emily Moore e Valeria Molinero dell'Università dello Utah, che firmano un articolo pubblicato su "Nature", in cui forniscono dati importanti per la messa a punto di modelli climatologici globali: "È necessario poter prevedere quanta acqua in atmosfera è allo stato liquido e quanta allo stato cristallino", osserva Molinero, spiegando che ciò influisce sulla quantità di radiazione solare assorbita.

Nella nostra intuizione, siamo soliti considerare l'acqua il più semplice dei liquidi, ma dal punto di vista chimico-fisico in realtà è di gran lunga il più strano, e si comporta in modo completamente diverso dagli altri liquidi. Così, il ghiaccio galleggia sull'acqua mentre la maggior parte delle sostanze solide affonda nel proprio corrispettivo liquido, perché sono più dense.

Ma una delle singolarità dell'acqua più complessa da studiare è il suo punto di congelamento. La si può raffreddare ben al di sotto dello zero e constatare che rimane ancora allo stato liquido: nelle nubi è stata trovata acqua liquida a - 40 °C e in laboratorio è stato dimostrato che può restare tale anche a - 41 °C. Senza contare che, a seconda delle condizioni di temperatura e pressione in cui ciò avviene, il ghiaccio d'acqua può assumere ben 16 forme differenti.

"Se si dispone di acqua allo stato liquido e si desidera formare del ghiaccio, bisogna prima formare un nucleo di piccole dimensioni", dice

la Molinero, e solitamente questo nucleo di aggregazione è costituito da impurità microscopiche. Ma in presenza di acqua molto pura, "l'unico modo per formare spontaneamente un nucleo è cambiare la struttura del liquido".

Domande chiave come quale sia la temperatura più bassa a cui l'acqua può essere raffreddata prima di congelare, quali siano le condizioni in cui si formano questi nuclei e quale la loro dimensione minima perché possano crescere, rimanevano ancora senza risposta, anche perché la velocità di cristallizzazione a bassa temperatura ostacola gli studi sperimentali, mentre le simulazioni richiedono un tempo-macchina proibitivo.

Lo strano punto di congelamento dell'acqua Lo strano punto di congelamento dell'acqua
Lo strano punto di congelamento dell'acqua

Tre fasi del congelamento: in bianco l'acqua alla stato liquido, in verde lo stato intermedio e in rosso quello cristallino

Ora, integrando in un nuovo modello dati sperimentali e simulazioni al computer, Valeria Molinero ed Emily Moore  sono riuscite a stabilire la temperatura che l'acqua allo stato liquido può toccare prima di raggiungere la velocità teorica di cristallizzazione massima e sia "costretta" a congelare: - 48° C.

Se una goccia microscopica di acqua viene raffreddata molto velocemente, si forma un vetro, un ghiaccio amorfo a bassa densità in cui tutti i tetraedri di molecole d'acqua non sono allineati a formare cristalli perfetti. Circa un quarto delle molecole presenti in questo "vetro d'acqua" è però organizzato sotto forma di ghiaccio intermedio, come minuscoli cristalli di ghiaccio.

Avvicinandosi a - 48° C, inoltre si osserva una diminuzione della densità e un insolito aumento della capacità termica (che sale anziché scendere) e comprimibilità (l'acqua diventa più facile da comprimere in seguito a raffreddamento, a differenza della maggior parte dei liquidi). Questa insolita termodinamica si manifesta in coincidenza con il passaggio dell'acqua a una struttura tetraedrica.

Per riuscire nel loro intento Molinero e Moore hanno messo a punto un nuovo modello computazionale dedicato 200 volte più veloce di quelli precedentemente usati in questi studi, e anche così ci sono volute diverse migliaia di ore per simulare il comportamento di 32.768 molecole d'acqua e determinarne proprietà come la capacità termica, la densità e comprimibilità in funzione della temperatura.


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