Ecco come l’acqua conduce l’elettricità: rivelato il processo dopo 200 anni di ricerche

È un manuale da secoli in divenire: più di 200 anni dopo che gli scienziati hanno iniziato a indagare su come le molecole d’acqua conducono l’elettricità, una squadra ha finalmente assistito al successo.

Non sorprende che la maggior parte dell’acqua naturale conduca l’elettricità incredibilmente bene – questo è un dato di fatto che molti di noi hanno imparato fin dalla scuola primaria. Ma nonostante quanto sia fondamentale il processo, nessuno è stato in grado di capire come effettivamente accade a livello atomico.

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“Questo processo fondamentale in chimica e biologia ha eluso una spiegazione ferma”, ha detto uno dei membri della squadra, Anne McCoy  dell’Università di Washington. “E ora abbiamo il pezzo mancante che ci dà il quadro più ampio: come i protoni essenzialmente” si muovono “attraverso l’acqua.”

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I ricercatori, guidati da Mark Johnson della Yale University, sono stati in grado di osservare le molecole d’acqua che passavano lungo i protoni – particelle subatomiche caricate positivamente – utilizzando la spettroscopia, un processo che consente ai ricercatori di accendere la luce alle molecole e vedere cosa succede all’interno.

È interessante notare che, sebbene l’acqua che vedi nel mondo intorno a te sia un grande conduttore di elettricità, l’acqua totalmente pura, che raramente si trova fuori dal laboratorio, in realtà non conduce elettricità, a causa della sua mancanza di elettroni liberi. Ma, in natura, praticamente tutta l’acqua si è mescolata con sedimenti e minerali, che ionizzano le molecole d’acqua e che permettono loro di condurre la corrente.

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Fino ad ora, tutti i ricercatori sapevano davvero che quel processo era che l’H2O trasmette i protoni dalla molecola alla molecola attraverso il loro atomo di ossigeno, una specie di corsa a relè molecolare.  Questo processo è chiamato meccanismo di Grotthuss e fu descritto per la prima volta dal chimico Theodor Grotthuss nel 1806.

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“Gli atomi di ossigeno non hanno bisogno di muoversi molto”, ha detto Johnson . “È un po ‘come la culla di Newton – il giocattolo del bambino con una fila di sfere d’acciaio, ognuna sospesa da una corda: se sollevi una palla in modo che colpisca la linea, solo la pallina si allontana, lasciando gli altri imperturbati. “

Puoi vedere un’illustrazione del meccanismo di Grotthuss nella gif di seguito:

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Ma fino a poco tempo fa, questo gif era tanto dettagliato quanto la nostra comprensione. Sebbene i ricercatori avessero una buona idea di come questo meccanismo abbia funzionato sulla superficie, i dettagli di esattamente come  ciò è accaduto sono rimasti frustrantemente oscuri. Quindi, negli ultimi 200 anni, i ricercatori hanno cercato un modo sperimentale per seguire i cambiamenti strutturali nelle molecole d’acqua mentre conducono l’elettricità, cosa che si è dimostrata incredibilmente difficile.

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Negli ultimi anni, i ricercatori hanno provato a farlo utilizzando la scansione a infrarossi per monitorare i progressi, ma i risultati sono risultati come una foto sfocata, senza dettagli visibili.

In effetti, è sembrato che questa sfocatura fosse troppo severa per consentire una connessione avvincente tra colore e struttura”, ha spiegato Johnson .

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Per capirlo una volta per tutte, Johnson e il suo team hanno trovato un modo per congelare rapidamente il processo chimico, in modo che i momenti di istantanea nel processo possano essere isolati e congelati nel tempo, permettendo loro di dare un’occhiata più da vicino. Hanno usato cinque molecole di “acqua pesante” – l’acqua ricavata dall’isotopo del deuterio dell’idrogeno – e poi hanno raffreddato le molecole per chiudersi allo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius o -459,67 gradi Fahrenheit). Quando lo fecero, rallentò tutto e improvvisamente le immagini dei protoni in movimento divennero molto più chiare.

“In sostanza, abbiamo scoperto una specie di Rosetta Stone che rivela le informazioni strutturali codificate a colori”, ha affermato Johnson . “Siamo stati in grado di rivelare una sequenza di deformazioni concertate, come le cornici di un film.” 

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La nuova comprensione fornirà una visione fondamentale della conduttività dell’acqua – un fenomeno che ci tiene in vita ed è cruciale per molte reazioni chimiche sulla Terra. Ma potrebbe anche aiutare a spiegare altri misteri là fuori, come il dibattito di lunga data sulla questione se la superficie dell’acqua sia più o meno acida del resto del suo volume. Questa nuova tecnica di imaging potrebbe rispondere a questa domanda una volta per tutte.

Potrebbe anche far luce su alcuni degli strani comportamenti dell’acqua scoperti di recente, come la presenza di una misteriosa seconda  fase liquida e la sua strana capacità di congelare il solido al punto di ebollizione quando limitato ai nanotubi di carbonio. Il team ora vuole eseguire nuovamente gli esperimenti con più molecole di acqua, così come altre piccole molecole, per vedere come la conduttività cambia.

Potrebbe sembrare inutile scrutare così profondamente in processi che già sapevamo esistessero, ma questo tipo di ricerca fondamentale è la chiave per comprendere il mondo che ci circonda. Dopotutto, sarà soltanto quando conosceremo veramente su come si comporta la materia al più piccolo livello che avremo la possibilità di capire il resto dell’Universo. E l’acqua, nonostante quanto sia onnipresente, è una delle molecole più strane là fuori. La ricerca è stata pubblicata su  Science.

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