Complessità topologica dell’acqua allo stato
liquido descritta nel nuovo modello colloidale
Colloid ModelTopologyWaterWilliam Brown 22 novembre 2022
Di: William Brown, scienziato presso la Resonance Science Foundation
L’acqua è una delle molecole più abbondanti nell’universo, con una composizione
chimica semplice di due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. Tuttavia, questa
molecola abbondante e apparentemente semplice è alla base di proprietà sorprendenti
derivanti dalle specifiche configurazioni molecolari e intermolecolari dell’acqua.
Partiamo dalla configurazione molecolare in cui le porzioni di idrogeno e le coppie di
elettroni non legati dell’atomo di ossigeno formano una molecola tetraedrica:
potremmo ingenuamente supporre che la disposizione del legame più semplice sia una
molecola lineare, come l’anidride carbonica (che di conseguenza non esiste come
liquido e passa direttamente da solido a gas tramite sublimazione); tuttavia, in una
molecola d’acqua gli atomi di idrogeno si legano al singolo atomo di ossigeno con un
angolo di legame specifico di 104,5°. Questa configurazione tetraedrica della molecola
d’acqua produce un dipolo elettrico parziale, che rende l’acqua ionicamente interattiva
e le conferisce proprietà uniche come quella di essere il solvente universale. È anche alla
base di alcune delle anomalie termodinamiche dell’acqua allo stato liquido, come la
minore densità a temperature più basse a causa della formazione di reti di legami a
idrogeno coordinati tetraedricamente. L’acqua allo stato liquido forma reti
intermolecolari strutturate tali per cui, a differenza di quasi tutti gli altri liquidi, questa si
espande mentre si raffredda, e la sua fase solida (ghiaccio) ha una densità inferiore alla
sua fase liquida.
(a) Distribuzione elettronica nella molecola d’acqua: viene mostrata la struttura tetraedrica degli orbitali
molecolari, con gli elettroni coinvolti nei legami covalenti e le coppie solitarie, secondo la teoria VSEPR [43,
44]. (b) Struttura di una singola molecola d’acqua (gli atomi di idrogeno sono bianchi, l’atomo di ossigeno
è rosso) [di Greg Stewart, graphic designer presso SLAC, Centro d’Accelerazione Lineare di Stanford, Stati
Uniti], rappresentata secondo il modello ad asta e sfera. (c) Disposizione tetraedrica delle molecole d’acqua
legate all’idrogeno [Molecular Cell Biology, Sixth Edition c 2008, W.H.Freeman and Company].
Tutte queste caratteristiche uniche e apparentemente anomale dell’acqua allo stato
liquido ne fanno la molecola fondamentale della vita. Agisce anche da mezzo centrale di
scambio di informazioni e coordina l’attività di un vasto numero di macromolecole
complesse: determinando la forma e la funzione di proteine, DNA, RNA, lipidi e
consentendo la biochimica che è alla base del sistema della vita.
L’acqua è necessaria sia per l’evoluzione della vita che per la sua continuazione.
Possiede proprietà particolari che non si trovano in altri materiali e che sono necessarie
per i processi vitali. Queste proprietà sono determinate dall’ambiente legato
all’idrogeno, particolarmente evidente nell’acqua allo stato liquido. Ogni molecola di
acqua allo stato liquido è coinvolta in circa quattro legami a idrogeno con forze
considerevolmente inferiori rispetto ai legami covalenti, ma notevolmente superiori
dell’energia termica naturale. Questi legami a idrogeno sono disposti
approssimativamente in modo tetraedrico in modo tale che, quando sono fortemente
formati, il raggruppamento locale si espande, riducendo la densità. Tale strutturazione
a bassa densità si verifica naturalmente a temperature basse e di sopraffusione, e dà
origine a molte proprietà fisiche e chimiche che evidenziano la particolare unicità
dell’acqua allo stato liquido. Se i legami a idrogeno in acqua fossero in realtà un po’ più
forti, l’acqua si comporterebbe in modo simile a un vetro, mentre se fossero più deboli,
l’acqua sarebbe un gas ed esisterebbe come liquido solo a temperature sotto lo zero. –
Martin Chaplin, Water’s Hydrogen Bond Strength
Data l’importanza di questa piccola molecola che ha così tante funzioni, gli scienziati
sono ansiosi di rivelare e comprendere ancora di più dei suoi segreti nascosti nelle sue
reti molecolari. Uno di questi studi ha fatto un grande passo avanti in questo senso,
dimostrando che esiste una chiara distinzione topologica tra le sue due reti liquide
sopraffuse, ciascuna di diversa densità, una scoperta che potrebbe avere implicazioni di
vasta portata per la comprensione delle transizioni di fase liquido-liquido in liquidi
tetraedrici come l’acqua.
Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Physics [1], dimostra che nell’acqua
profondamente sopraffusa si verifica una transizione di fase liquido-liquido in cui una
rete intermolecolare, a bassa densità e non intricata, passa a un liquido intricato ad alta
densità contenente topologicamente motivi complessi come i nodi trifoglio e il
collegamento Hopf (vedere immagine sotto).
Caratterizzazione della transizione di fase liquido-liquido in acqua colloidale (in alto) e molecolare (in
basso) mediante identificazione di collegamenti e nodi. LDL: liquido a bassa densità; HDL: liquido ad alta
densità. Crediti di immagine: Neophytou et al., doi: 10.1038/s41567-022-01698-6.
Come descritto in un post dell’Università degli Studi di Roma “La Sapienza”, dove la
ricerca è stata in parte svolta:
L’autore principale, Andreas Neophytou, dottorando presso l’Università di Birmingham,
afferma che “questa intuizione ci ha fornito una visione completamente nuova di quello
che è un problema di ricerca che persiste da oltre 30 anni, e speriamo che sia solo un
nuovo inizio.” Utilizzando simulazioni computerizzate, il team di ricercatori ha prima
scoperto la distinzione topologica dei due liquidi in un modello colloidale dell’acqua, e
poi in due modelli molecolari dell’acqua ampiamente utilizzati. I colloidi sono particelle
che possono essere mille volte più grandi di una singola molecola d’acqua. In virtù delle
loro dimensioni relativamente maggiori, e quindi di movimenti più lenti, i colloidi sono
spesso indicati come “grandi atomi” e usati per osservare e comprendere fenomeni fisici
che si verificano anche su scale di lunghezza atomica e molecolare molto più piccole.
(a) modello molecolare dell’acqua: le molecole formano reti di legami a idrogeno coordinati
tetraedricamente. (b) Questi raggruppamenti possono essere pensati come “grandi atomi” nel modello
colloidale dell’acqua. (c) Nella fase ad alta densità, queste reti sono intricate e topologicamente complesse,
formando motivi come il nodo trifoglio e il collegamento Hopf.
Inoltre diversi esperti hanno discusso l’importanza di questo notevole studio:
Pablo Debenedetti, docente di ingegneria chimica e biologica presso l’Università di
Princeton negli Stati Uniti e uno dei massimi esperti mondiali in quest’area di ricerca,
osserva: “Questo bellissimo lavoro computazionale rivela le basi topologiche alla base
dell’esistenza di diverse fasi liquide nella stessa rete -sostanza formante.” E aggiunge:
“Inoltre arricchisce e approfondisce sostanzialmente la nostra comprensione di un
fenomeno che abbondanti prove sperimentali e computazionali suggeriscono sempre
più come centrale per la fisica del più importante dei liquidi: l’acqua”. Christian
Micheletti, docente presso la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati di
Trieste, il cui attuale interesse di ricerca è comprendere l’impatto dell’entanglement, in
particolare dei nodi e dei collegamenti nel campo della statica, della cinetica e della
funzionalità dei biopolimeri, osserva: “Con questo singolo paper, Neophytou et al. hanno
fatto diverse scoperte che avranno un impatto in diverse aree scientifiche. In primo
luogo, il loro modello colloidale per l’acqua, elegante e sperimentale, apre prospettive
completamente nuove per gli studi su larga scala dei liquidi. Oltre a ciò, forniscono una
prova molto forte che le transizioni di fase che possono sfuggire all’analisi tradizionale
della struttura locale dei liquidi, vengono invece prontamente rilevate tracciando i nodi
e i collegamenti nella rete di legami del liquido. L’idea di cercare tali complessità nello
spazio in qualche modo astratto di percorsi che corrono lungo legami molecolari
transitori è molto potente, e penso che verrà ampiamente adottata per studiare sistemi
molecolari complessi.”
(https://www.phys.uniroma1.it/fisica/archivionotizie/topologicalnature-liquid-liquid-phase-transition-tetrahedral-liquids)
Paper di riferimento:
[1] Neophytou, A., Chakrabarti, D. & Sciortino, F. Topological nature of the liquid–liquid
phase transition in tetrahedral liquids. Nat. Phys. 18, 1248–1253
(2022). https://doi.org/10.1038/s41567-022-01698-6