Nuova spettroscopia svela i segreti quantistici dei legami nell’acqua

Un’innovativa ricerca internazionale, a cui ha partecipato il Consiglio Nazionale delle Ricerche, offre nuove prospettive sulla dinamica quantistica dell’acqua attraverso una spettroscopia avanzata, aprendo le porte a conoscenze applicabili a numerosi altri liquidi e materiali complessi.

La complessità dell’acqua continua a stupire i ricercatori di tutto il mondo. Un nuovo studio coordinato dall’Ecole Polytechnique Federale di Losanna (EPFL), in collaborazione con istituti di ricerca tra cui l’Istituto per i Processi Chimico-Fisici (CNR-IPCF) di Messina, ha permesso di osservare per la prima volta i fenomeni quantistici che avvengono nei legami a idrogeno all’interno dell’acqua liquida. Utilizzando la spettroscopia vibrazionale correlata (CVS), gli scienziati hanno potuto monitorare direttamente le interazioni molecolari che fino a oggi erano accessibili solo tramite simulazioni al calcolatore. Questo approccio ha consentito di misurare le dinamiche di scambio di carica tra le molecole d’acqua, evidenziando come queste si organizzino in una rete tridimensionale che conferisce all’acqua le sue proprietà distintive.

Per chi è affascinato dalla scienza dei materiali e dalla fisica quantistica, lo studio rappresenta un passo avanti nella comprensione dei meccanismi che sostengono i legami a idrogeno, strutture indispensabili non solo per l’acqua ma anche per biomolecole fondamentali, come il DNA. La ricerca, pubblicata su Science, ha coinvolto anche altre importanti istituzioni scientifiche, come l’ICTP di Trieste, la Queen’s University di Belfast e l’Ecole Normale Supérieure di Parigi.

La struttura dell’acqua e i legami a idrogeno

A livello molecolare, l’acqua si distingue per il suo legame a idrogeno, una connessione che permette alle molecole di H2O di aggregarsi in una rete stabile e flessibile. Nel nuovo studio, il team ha applicato la spettroscopia CVS per identificare e distinguere le molecole effettivamente coinvolte nei legami a idrogeno dalle molecole libere. Questo approccio ha superato le limitazioni delle metodologie precedenti, che non consentivano di isolare in modo chiaro le molecole interagenti dalle altre presenti nel sistema. La responsabile della ricerca, Sylvie Roke dell’EPFL, ha spiegato come i metodi spettroscopici convenzionali si basino su ipotesi che possono generare errori significativi nella misurazione dell’interazione molecolare. Al contrario, la spettroscopia CVS permette di ottenere dati precisi sulle proprietà dei legami, come la quantità di carica elettronica condivisa e la forza di connessione tra le molecole.

Questo approccio è stato possibile grazie a impulsi laser ultra-brevi, dell’ordine dei femtosecondi (un quadrilionesimo di secondo), che hanno illuminato il campione di acqua. Questa tecnica ha generato piccoli spostamenti di carica che, a loro volta, hanno prodotto uno schema di dispersione della luce in grado di rivelare l’organizzazione spaziale delle molecole. I risultati hanno permesso di misurare l’influenza reciproca delle molecole legate, offrendo un quadro dettagliato del comportamento quantistico all’interno della struttura molecolare dell’acqua.

Nuove prospettive sulla dinamica quantistica dell’acqua

La ricerca ha evidenziato come variazioni del pH influenzino la struttura e la carica nei legami a idrogeno. Modificando il pH dell’acqua, il team ha osservato che gli ioni idrossido (OH-) aumentavano la carica elettronica della rete del 8%, mentre i protoni (H+) la riducevano del 4%. Questi risultati, ottenuti grazie alla spettroscopia CVS e validati tramite simulazioni avanzate su supercomputer, rappresentano una novità assoluta per la chimica dell’acqua.

I dati sperimentali, confermati dai calcoli computazionali eseguiti presso istituzioni come il CNR-IPCF e l’ICTP di Trieste, hanno fornito una base scientifica solida per analizzare il comportamento molecolare di altre soluzioni complesse, come quelle contenenti elettroliti o biomolecole. Il ricercatore Giuseppe Cassone del CNR-IPCF ha sottolineato che la CVS può diventare uno strumento essenziale per esplorare le interazioni molecolari in altri sistemi liquidi, ampliando le conoscenze su fenomeni fondamentali per la biochimica e la scienza dei materiali.

Per ulteriori dettagli, è possibile consultare la pagina ufficiale del CNR e il sito dell’ICTP di Trieste.