Alla scoperta della dissoluzione: solo 30 molecole d’acqua separano il sale
Il processo è stato reso visibile per la prima volta con precisione atomica grazie alla spettroscopia elettronica ad altissima risoluzione
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Quanta acqua serve davvero a una molecola di sale per dissolversi? Un team di ricerca internazionale, al quale ha partecipato anche l’Università di Kassel, è riuscito per la prima volta a rendere visibile il processo con precisione atomica. Lo studio dimostra che solo a partire da circa 30 molecole d’acqua le particelle si separano in modo permanente. Questi risultati forniscono importanti conoscenze di base per la chimica, la biologia e la ricerca sull’atmosfera.
Che si tratti di oceani, suoli o cellule viventi: il sale (cloruro di sodio, NaCl) si dissolve ovunque intorno a noi. Tuttavia, fino ad ora la fisica non disponeva di un quadro preciso di ciò che accade passo dopo passo quando le molecole entrano in contatto. Un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Dr. Marcel Mudrich dell’Istituto di Fisica dell’Università di Kassel ha ora seguito per la prima volta il processo molecola per molecola.
Per le loro analisi, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica speciale: hanno immerso le particelle in minuscole nanogocce di elio vicine allo zero assoluto e hanno studiato il processo mediante spettroscopia elettronica ad altissima risoluzione. Simulazioni al computer complementari hanno reso visibili le microstrutture che si formano. In questo modo, i ricercatori hanno potuto isolare il modo in cui le singole molecole d’acqua indeboliscono il legame tra sodio e cloro, fino a quando non si forma infine un involucro idrato completo attorno a entrambi gli ioni.
Le molecole d’acqua avvolgono gli ioni a velocità diverse
Le misurazioni mostrano differenze significative tra i due ioni: mentre uno ione cloruro viene completamente circondato già da circa 17 molecole d’acqua, uno ione sodio ne richiede fino a 34. Solo a partire da una soglia di circa 30 molecole d’acqua gli ioni risultano separati in modo permanente. «L’acqua avvolge gli ioni passo dopo passo, come un velo che scioglie gradualmente il sale», afferma Mudrich. «Grazie a un nuovo metodo di misurazione, siamo riusciti per la prima volta a dimostrare quando gli ioni si separano completamente e sono avvolti dall’acqua».
Le conoscenze di base migliorano i modelli per la natura e la chimica
Trattandosi di pura ricerca di base, l’attenzione non è rivolta all’utilità immediata nella vita quotidiana, bensì alla comprensione fondamentale di un processo naturale centrale. Molte reazioni chimiche e biologiche avvengono in ambiente acquoso. In un liquido normale, tuttavia, è quasi impossibile isolare le singole fasi intermedie.
«Il nostro metodo consente, per così dire, di aggiungere in modo mirato singole molecole d’acqua e di osservare in tempo reale come cambia la struttura elettronica», spiega Mudrich. «A lungo termine, queste conoscenze aiutano a comprendere meglio i processi chimici e biologici, ad esempio nella chimica atmosferica o marina, a livello molecolare e a riprodurli in modo più realistico nei modelli al computer.»
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