Una nuova tecnica di misurazione ha permesso di rilevare in esperimenti di laboratorio acqua allo stato liquido a temperature molto al di sotto dei 40 gradi Celsius (acqua sopraffusa), dunque ben oltre una soglia ritenuta invalicabile in base ad altri studi sperimentali
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L’acqua può rimanere allo stato liquido fino a -42,55 °C, un valore mai raggiunto finora in esperimenti dello stesso tipo. Lo ha dimostrato, grazie a una nuova tecnica di misurazione, uno studio pubblicato sulle “Physical Review Letters” da un gruppo internazionale di ricercatori, tra i quali Marco Potenza del Dipartimento di fisica dell’Università degli Studi di Milano.

L’acqua è una delle molecole più comuni sulla Terra. Si potrebbe quindi pensare che il suo comportamento non nasconda segreti. Invece non è affatto così: dal punto di vista fisico è uno dei materiali più complessi da descrivere, soprattutto quando passa dallo stato liquido allo stato solido. Per esempio, tutti abbiamo ben chiaro il fatto che l’acqua ghiaccia a zero gradi Celsius in condizioni “normali”, cioè quando siamo in presenza di una certa quantità di acqua liquida contenuta in un recipiente e la pressione dell’aria è di un’atmosfera.

Ma la solidificazione presuppone che con l’abbassamento della temperatura le forze che agiscono tra le molecole di acqua diventino sempre più deboli, e le stesse molecole si dispongano ai vertici di un reticolo cristallino, la struttura microscopica del ghiaccio. Un fattore fondamentale affinché le molecole si ridispongano in questo modo è che trovino qualcosa su cui appoggiarsi, per esempio impurità presenti nell’acqua, come molecole di sali minerali, o una superficie solida.

Il processo di solidificazione cambia enormemente quando l’acqua è in forma di piccole gocce separate tra loro: in questo caso, la tensione superficiale, dovuta alle forze di coesione tra le molecole di acqua, è relativamente forte, e inibisce la formazione del reticolo cristallino quando

ci si avvicina allo zero di temperatura Celsius. Se l’acqua è molto pura, cioè non contiene sali minerali, si verifica il fenomeno della soprafusione: l’acqua rimane allo stato liquido anche sottozero per un breve periodo di tempo. Se le gocce soprafuse toccano una superficie, infatti, ghiacciano istantaneamente: è questo il fenomeno del gelicidio, di cui si è parlato recentemente nelle previsioni meteo, perché può riguardare, in condizioni particolari che si creano d’inverno, anche le gocce di pioggia.

Ma fino a che temperatura ci si può spingere mantenendo l’acqua soprafusa? Fino a circa -40 °C, secondo molte indicazioni emerse in laboratorio. In questa stima rimaneva però un’incertezza abbastanza importante, dovuta in gran parte alla difficoltà di stabilire la temperatura di gocce di acqua estremamente piccole.

La difficoltà ora è stata superata da Potenza e colleghi con un ingegnoso apparato sperimentale. Gli autori hanno utilizzato uno spruzzo di gocce d’acqua di dimensioni microscopiche in una camera a vuoto. In queste condizioni di pressione estremamente bassa, parte del liquido evaporava durante il tragitto. Ora, anche l’evaporazione è un passaggio di stato, e richiede una certa quantità di energia per verificarsi. Quindi le gocce che evaporavano nella camera a vuoto assorbivano calore, raffreddando la restanti goccioline, che di conseguenza riducevano le proprie dimensioni, poiché il diametro di una goccia è direttamente proporzionale alla sua temperatura.

Illuminando lo spruzzo con una luce laser, Potenza e colleghi hanno stimato le dimensioni delle gocce e la loro riduzione di dimensioni con un’incertezza di soli 10 nanometri (un nanometro equivale a un miliardesimo di metro). Gli autori hanno poi usato le dimensioni stimate delle gocce per determinarne le temperature, documentando che l’acqua può rimanere soprafusa fino a -42,55 °C, dunque ben oltre la fatidica soglia dei -40 °C stimata finora.