La prima volta di un campo elettrico per congelare l’acqua

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È possibile congelare l’acqua allo stato liquido tramite l’applicazione di un campo elettrico
Snapshot della struttura molecolare della nuova fase ferroelettrica vetrosa dell’acqua (Credit: cnr.it)

È possibile congelare l’acqua allo stato liquido tramite l’applicazione di un campo elettrico. Lo ha dimostrato per la prima volta uno studio condotto da un gruppo di ricercatori dell’Istituto per i processi chimico-fisici del Consiglio nazionale delle ricerche di Messina (Cnr-Ipcf) in collaborazione con colleghi inglesi di IBM Research Europe. Lo studio è pubblicato in Nature Communications. Il clamoroso risultato è stato ottenuto attraverso metodi avanzati di simulazione al supercalcolatore. I campi elettrici intensi sono capaci di indurre una transizione dalla fase liquida ad una nuova fase vetrosa dell’acqua. I ricercatori hanno indicato tale nuova fase con il nome di ferroelectric glassy water (f-GW), letteralmente “acqua vetrosa ferroelettrica”.

Si è dato così risposta ad un interrogativo rimasto aperto fin dalla seconda metà dell’’800, quando il fisico Louis Dufour sollevò tale possibilità ed innescò così nella comunità scientifica un acceso dibattito sulla possibilità di applicare anche all’acqua la tecnica dell’electrofreezing, o elettrocongelamento, cioè la cristallizzazione di una sostanza indotta da campi elettrici, analogamente a quanto avviene in molti processi naturali e tecnologici, dalla dinamica troposferica alla chimica degli alimenti, dal raffreddamento dei microchip alla microfluidica e alla catalisi. Un esempio per tutti: il processo di congelamento dei fiocchi di neve è fortemente alterato in presenza di campi elettrici.

«La fase dell’acqua vetrosa ferroelettrica si aggiunge al già ricco insieme di strutture che caratterizzano il diagramma di fase della sostanza chimica più studiata, che compendia più di 20 fasi cristalline note», spiega Giuseppe Cassone (Cnr-Ipcf). Aggiunge: «Tale scoperta non solo rappresenta un importante tassello nella comprensione del comportamento fondamentale dei liquidi e delle loro transizioni di fase, ma ha implicazioni profonde sulle strutture assunte dall’acqua nei sistemi biologici, nei fenomeni planetari e in sistemi di interesse tecnologico».

L’acqua è presente in numerose reazioni e processi che utilizzano campi elettrici simili a quelli necessari ad innescare questa transizione. Ad esempio reazioni enzimatiche e nei microchip, nei quali l’acqua è usata come liquido raffreddante. Al riguardo, Fausto Martelli (IBM) sottolinea: «Ma anche l’atmosfera terrestre e quella di molti esopianeti sono ricche di acqua e presentano intense attività di fulminazione. Anche le superfici di una lunga serie di minerali bagnati dalle acque naturali – conclude – esibiscono campi elettrici spontanei ancora più intensi di quelli necessari alla trasformazione dell’acqua liquida nella sua controparte vetrosa ferroelettrica».

Questa nuova fase sembra essere presente in molti contesti biologici, naturali e tecnologici. La sua comprensione potrà portare a importanti innovazioni, dalla modulazione delle interazioni tra antibiotici e proteine con membrane biologiche, alla ottimizzazione dell’effetto di raffreddamento in microelettronica, con conseguente impulso alla corsa per la miniaturizzazione. (Red.)

Vedi
www.cnr.it
https://www.nature.com/articles/s41467-024-46131-z

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