La struttura dell'acqua: l'entropia determina l'aderenza degli ioni
La microscopia a forza atomica e le simulazioni di dinamica molecolare forniscono la base per previsioni più precise nella ricerca sulle batterie e sulle membrane
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Le molecole d'acqua non si muovono semplicemente in modo disordinato, ma possono formare alcune strutture favorite. Questo fatto scientifico viene spesso presentato in modo del tutto antiscientifico, ad esempio quando si parla di una presunta "memoria dell'acqua" o di "cluster d'acqua" come possibile spiegazione dell'omeopatia.
Tutto questo è stato smentito, ma anche se l'acqua non è una magica riserva di informazioni, la sua capacità di formare strutture a breve termine può avere conseguenze importanti. Lo ha dimostrato uno studio condotto dalla TU Wien in collaborazione con l'Università di Vienna e l'Università di Oslo nell'ambito del Cluster of Excellence "MECS" finanziato dal FWF: i ricercatori hanno studiato la facilità con cui le particelle cariche possono essere trattenute su una superficie - una questione importante in molti settori, come la ricerca sulle batterie, le celle a combustibile e le membrane biologiche. I nuovi risultati lo dimostrano: Questo può essere compreso solo se si tiene conto delle strutture che l'acqua forma su scala nanosecondo.
Uno ione raramente arriva da solo
"Quando gli ioni con carica positiva in una soluzione acquosa si attaccano a una superficie con carica negativa, questo sembra molto semplice da un punto di vista fisico", spiega Markus Valtiner dell'Istituto di Fisica Applicata della TU Wien. "Cariche elettriche opposte si attraggono, quindi la particella si muove verso la superficie. Ma in realtà le cose sono un po' più complicate".
Le particelle cariche non si muovono da sole nell'acqua. Sono circondate da molecole d'acqua che possono disporsi in modi diversi. Il grado di ordine dipende dalla particella: "Gli ioni di litio, ad esempio, sono minuscoli e possono organizzare l'acqua intorno a loro in modo molto forte. Gli ioni di cesio, invece, sono grandi e l'effetto è molto minore", spiega Markus Valtiner.
Acqua ordinata, ma solo per nanosecondi
Tuttavia, questo ordine non deve essere considerato come un ordine di atomi in un cristallo. "Questo ordine è di natura statistica", spiega Markus Valtiner. "Le molecole d'acqua vibrano continuamente, si muovono molto velocemente, si ridistribuiscono continuamente, formano legami deboli e li rompono di nuovo".
Ciò significa che le molecole d'acqua non sono "depositi di informazioni", come a volte viene erroneamente rappresentato, ma piuttosto eseguono una sorta di "danza" intorno allo ione, e questa danza obbedisce a determinate regole. La danza dell'acqua intorno a uno ione litio o calcio è - statisticamente parlando - in un certo senso più organizzata della danza dell'acqua intorno allo ione cesio.
Quando gli ioni si spostano in superficie, portano con sé questa danza del guscio d'acqua. Se lo ione si attacca, l'acqua che lo circonda è costretta a strutturarsi in modo diverso da come farebbe altrimenti.
"Gli ioni che esercitano un'influenza più forte sulle molecole d'acqua circostanti creano un maggiore ordine nell'acqua - in termini termodinamici, ciò significa che creano uno stato di minore entropia", spiega Markus Valtiner. E più bassa è l'entropia, meno è probabile che tale stato si crei da solo". È quindi meno probabile che tali ioni si accumulino direttamente sulla superficie".
Nessuna "memoria dell'acqua" esoterica
Il team di ricerca ha combinato microscopia a forza atomica ad alta risoluzione, simulazioni di dinamica molecolare e misurazioni spettroscopiche per misurare questi effetti di superficie. Il risultato è stato un modello termodinamico che ora può essere utilizzato per descrivere quantitativamente l'adsorbimento delle particelle: Per la prima volta, i diversi effetti vengono considerati insieme: l'attrazione elettrostatica da un lato, ma anche l'entropia, la probabilità di ordine e l'interazione con le molecole d'acqua circostanti.
In questo modo è possibile prevedere quali ioni aderiranno a una superficie e come si comporteranno, ad esempio nelle batterie, negli elettrodi, nei catalizzatori o nelle membrane biologiche. Non solo le cariche elettriche devono essere prese in considerazione, ma anche l'ordine statistico dell'acqua.
"Non si tratta di una memoria magica dell'acqua, non ha nulla a che fare con idee esoteriche sull'informazione dell'acqua", sottolinea Markus Valtiner. "Si tratta semplicemente di un comportamento dinamico fisicamente molto interessante tra i diversi ioni e le molecole d'acqua circostanti, e abbiamo trovato un modello quantitativo che può essere utilizzato per descrivere con precisione questa interazione".
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
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