EFFETTO TUNNEL NEI CRISTALLI DI BERILLO

Nuovo stato quantistico dell’acqua

Immaginate delle microscopiche fessure esagonali - delle dimensioni di qualche atomo - all’interno di uno smeraldo: gli atomi di molecole d’acqua confinate in questi tubicini si delocalizzano e assumono un comportamento quantistico. A scoprire questo nuovo stato dell’acqua un gruppo di ricerca ai laboratori statunitensi di Oak Ridge

Ricercatori ai laboratori di Oak Ridge hanno scoperto che l’acqua nel berillio mostra alcune caratteristiche uniche e inaspettate. Crediti: ORNL/Jeff Scovil

Ricercatori ai laboratori di Oak Ridge hanno scoperto che l’acqua nel berillo mostra alcune caratteristiche uniche e inaspettate. Crediti: ORNL/Jeff Scovil

Acqua quantistica, un’allitterazione che farebbe tanto rivoltare Umberto Eco nella tomba quanto solleticare i sostenitori dell’omeopatia. Sta di fatto che l’ha scoperta un gruppo di ricercatori presso lo Oak Ridge National Laboratory (ORLN), uno dei grandi laboratori facenti capo al Dipartimento dell’Energia statunitense, sorto nel luogo dove venne sviluppato il Progetto Manhattan.

In un articolo pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, i ricercatori descrivono un nuovo stato a effetto tunnel delle molecole di acqua confinate all’interno di canali esagonali del minerale berillo, canali dalle dimensioni ultra piccole: 5 angstrom appena. L’unità di misura angstrom (Å) è pari a 1/10 di miliardesimo di metro, che equivale pressappoco alle dimensioni di un atomo.

«A basse temperature, questa acqua “canalizzata” mostra moto quantistico attraverso barriere di potenziale, fatto proibito nel mondo della fisica classica», spiega Alexander Kolesnikov del ORNL, primo autore del  nuovo studio. «Ciò significa che gli atomi di ossigeno e idrogeno della molecola d’acqua sono delocalizzati e, pertanto, contemporaneamente presenti nel canale in tutte le sei posizioni simmetricamente equivalenti allo stesso tempo. È uno di quei fenomeni che si verificano solo nella meccanica quantistica e non ha paragoni nella nostra esperienza quotidiana».

L’esistenza di questo nuovo stato a effetto tunnel dell’acqua – mai riscontrato nei canonici stati gassoso, liquido e solido – dovrebbe aiutare scienziati di diverse discipline a descrivere meglio le proprietà termodinamiche e il comportamento dell’acqua in ambienti altamente “confinati”.  Esempi possono essere la diffusione e il trasporto dell’acqua nei canali delle membrane cellulari, nei nanotubi di carbonio, lungo i bordi dei grani e sulle interfacce dei minerali in una miriade di ambienti geologici.

«Questa scoperta rappresenta una nuova comprensione fondamentale del comportamento dell’acqua e di come l’acqua utilizzi l’energia», aggiunge Lawrence Anovitz, sempre dello ORNL. «È anche interessante pensare che le molecole d’acqua presenti nel vostro anello d’acquamarina o di smeraldo – varietà di berillo cristallino rispettivamente verde e blu – stanno subendo la stesso effetto di tunneling quantistico che abbiamo riscontrato nei nostri esperimenti».

La Spallation Neutron Source al ORNL. Crediti: ORNL

La Spallation Neutron Source al ORNL. Crediti: ORNL

Mentre studi precedenti avevano osservato tunneling di idrogeno atomico in altri sistemi, la scoperta che l’acqua esibisce tale comportamento quantistico è senza precedenti. Il risultato è stato ottenuto grazie a tecniche di diffrazione di neutroni nell’acceleratore di particelle e a esperimenti di chimica computazionale, con le quali si è appunto dimostrato che, nello stato “canalizzato”, le molecole d’acqua sono delocalizzate attorno a un anello.

«L’energia cinetica media dei protoni dell’acqua, ottenuta direttamente dall’esperimento a neutroni, è una misura del loro moto alla temperatura quasi dello zero assoluto, e risulta circa il 30 per cento in meno rispetto a quanto sia nell’acqua liquida o come solido amorfo», spiega Kolesnikov. «Questo è in completo disaccordo con i correnti modelli basati sulle energie dei suoi modi vibrazionali».

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Fonte: Media INAF | Scritto da Stefano Parisini