Il professor Giancarlo Franzese & il dottor Luis Enrique Coronas.
Studio teorico innovativo che svela i segreti della molecola più essenziale della vita, ovvero le proprietà e le misteriose anomalie uniche dell'acqua
I meccanismi molecolari delle anomalie uniche dell’acqua sono ancora dibattuti. Le sfide sperimentali hanno portato a simulazioni che suggeriscono una transizione di fase liquido-liquido (liquid–liquid - LL), culminante nel punto critico liquid–liquid della regione superraffreddata LL (critical point - LLCP). Le spese computazionali, le dimensioni ridotte dei sistemi e l’affidabilità dei modelli idrici spesso limitano queste simulazioni. L’acqua, una molecola essenziale per la vita, presenta proprietà insolite, chiamate anomalie, che ne definiscono il comportamento.
Nonostante studi approfonditi, rimangono molti misteri sui meccanismi molecolari alla base di queste anomalie che rendono l’acqua unica. Decifrare e replicare questo comportamento distintivo in vari intervalli di temperature rimane una sfida significativa per la comunità scientifica.
Ora, uno studio presenta un nuovo modello teorico in grado di superare i limiti delle metodologie precedenti per comprendere come si comporta l’acqua in condizioni estreme. L'articolo, presentato sulla copertina di The Journal of Chemical Physics (1), è condotto dal dottor Giancarlo Franzese (2) e dal dottor Luis Enrique Coronas (3), della Facoltà di Fisica e dell'Istituto di Nanoscienza e Nanotecnologia dell'Università di Barcellona (IN2UB).
Lo studio non solo amplia la nostra comprensione della fisica dell’acqua, ma ha anche implicazioni per la tecnologia, la biologia e la biomedicina, in particolare per affrontare il trattamento delle malattie neurodegenerative e lo sviluppo di biotecnologie avanzate.
Il modello CVF: comprendere meglio la fisica dell'acqua
Lo studio, che risulta dalla tesi di dottorato che Luis E. Coronas ha presentato nel 2023 presso la Facoltà di Fisica dell'UB, mostra un nuovo modello teorico che risponde all'acronimo CVF (le iniziali dei cognomi dei ricercatori Luis Enrique Coronas, Oriol Vilanova e Giancarlo Franzese). Il nuovo modello CVF è affidabile, efficiente, scalabile e trasferibile e incorpora calcoli quantistici ab initio che riproducono accuratamente le proprietà termodinamiche dell’acqua in diverse condizioni.
Applicando il nuovo quadro teorico, lo studio rivela che «esiste un punto critico tra due forme liquide di acqua, e questo punto critico è l’origine delle anomalie che rendono l’acqua unica ed essenziale per la vita, così come per molte applicazioni tecnologiche. Sebbene questa conclusione sia già stata raggiunta in altri modelli idrici, nessuno di essi ha le caratteristiche specifiche del modello che abbiamo sviluppato in questo studio», spiega il professor Giancarlo Franzese, della Sezione di Fisica Statistica del Dipartimento di Fisica della Materia Condensata.
Alcuni modelli attuali per spiegare le anomalie dell’acqua non possono riprodurre adeguatamente le proprietà termodinamiche dell’acqua, come la sua comprimibilità e capacità termica.
«Tuttavia, il modello CVF fa questo perché incorpora i risultati dei calcoli quantistici iniziali delle interazioni tra le molecole. Queste interazioni, note come problemi a molti corpi, vanno oltre la fisica classica e sono dovute al fatto che le molecole d’acqua condividono gli elettroni in un modo difficile da misurare sperimentalmente», aggiunge Franzese.
Secondo lo studio, «le fluttuazioni di densità, energia ed entropia nell’acqua sono regolate da queste interazioni quantistiche, con effetti che vanno dalla scala nanometrica alla scala macroscopica», afferma il ricercatore Luis Enrique Coronas.
«Ad esempio – prosegue Coronas – l'acqua regola lo scambio di energia e di molecole, nonché lo stato di aggregazione delle proteine e degli acidi nucleici nelle cellule. Si sospetta che difetti in questi processi causino malattie gravi come l’Alzheimer, il Parkinson e la sclerosi laterale amiotrofica. Comprendere come le fluttuazioni dell’acqua contribuiscono a questi processi potrebbe quindi essere la chiave per trovare trattamenti per queste malattie».
Promuovere lo sviluppo di nuove biotecnologie
Il modello CVF offre anche nuovi vantaggi che consentono di eseguire calcoli laddove altri modelli falliscono, sia perché sono troppo pesanti dal punto di vista computazionale sia perché si discostano significativamente dai risultati sperimentali.
Nel campo dello sviluppo tecnologico, alcuni laboratori stanno sviluppando biotecnologie per sostituire i muscoli (attuatori meccanici) che sfruttano le interazioni quantistiche dell’acqua; memristor a base d'acqua per creare dispositivi di memoria (con una capacità milioni di volte maggiore di quelli attuali), oppure l'applicazione di spugne di grafene che separano l'acqua dalle impurità grazie alle fluttuazioni della densità dell'acqua nei nanopori.
Ci sono anche implicazioni per la comprensione della fisica dell’acqua. «Questo modello può riprodurre le proprietà dell'acqua liquida praticamente a tutte le temperature e pressioni presenti sul nostro pianeta, anche se si discosta dalle condizioni estreme raggiunte nei laboratori», affermano gli esperti. «Ciò dimostra che anche gli effetti non inclusi nel modello – gli effetti quantistici nucleari – sono importanti a queste pressioni e temperature estreme. Pertanto, i limiti del modello ci guidano dove migliorare per arrivare a una formulazione definitiva del modello», concludono.
Riferimenti:
Descrizione foto: Il professor Giancarlo Franzese & il dottor Luis Enrique Coronas. - Credit: Università di Barcellona (IN2UB).
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: The Secrets of Life’s Most Essential Molecule: Scientists Unravel Water’s Mysterious Anomalies