Storia di un’acqua troppo speciale

1962

Lo scenario

La guerra fredda è al culmine. La cosiddetta crisi dei missili di Cuba rischia di fare da  miccia per la terza guerra mondiale  (nucleare). I rapporti fra USA e URSS, le due grandi potenze, sono ai minimi storici.

Gli ambienti scientifici risentono di questo clima. Gli americani tutti (e non solo gli scienziati) sono ancora sconvolti dallo smacco spaziale subito:  lo Sputnik (1957) primo satellite artificiale e Yuri Gagarin (1961)  primo uomo in orbita intorno alla Terra.

Gli scambi d’informazioni tra comunità scientifiche sono  difficili e malvisti e a complicare ulterioremente le cose, c’è il fatto che   la lingua della scienza in occidente è l’inglese,mentre i sovietici pubblicano esclusivamente in russo e non partecipano,  se non raramente, a incontri e  congressi  fuori dai confini dell’ URSS.

Grazie al cielo, in questo clima di conflitto continuo e silenzioso, di trame oscure e letali,

locandina di 007 Licenza di uccidere

locandina di 007 Licenza di uccidere

entra in scena lui, il difensore estremo dell’occidente:    Bond,   James Bond la spia con licenza di uccidere, mentre i Beatles, cantando “Love me do”,  incominciano la loro travolgente rivoluzione musicale.

Da oltrecortina, in Urss ci arriva invece l’eco di un cinema decisamente più  “impegnato”: di quell’anno infatti,  i cinefili ricorderanno  ” l’infanzia di Ivan”, film diretto da Andrej Tarkovskij e vincitore del Leone d’oro di Venezia

Locandina dell' Infanzia di Ivan

Locandina dell’ Infanzia di Ivand’oro di Venezia.

Per quanto riguarda la musica leggera invece, la rivoluzione sembrerebbe ancora un po’ acerba, almeno a giudicare da questo video (l’unico  da me trovato in rete).

La vicenda

URSS Kostroma

Istituto  di Tecnologia

Il chimico NiKolai Feydiakin, forse canticchiando il motivo di cui sopra, osservava perplesso  il comportamento dell’ acqua che aveva fatto evaporare sotto vuoto e poi  ricondensato e sigillato in tubi capillari del diametro inferiore al millimetro.

Guardava e riguardava perlesso quei  tubicini nei quali comparivano due colonne di liquido disposte l’una  sull’altra. Il motivetto gli si spezzò in gola quando si rese conto che  il liquido superiore stava crescendo a discapito di quello inferiore,  quasi che il liquido in basso evaporasse per andare a depositarsi nella parte alta del capillare.

Non era certo quello che Feydakin si aspettava!

Temperatura e pressione erano le stesse in ogni punto del capillare e quindi il liquido avrebbe dovuto coesistere con il suo vapore. Perchè mai avrebbe dovuto evaporare per poi condensarsi da un’altra parte?

La mente di Feydakin era in fermento. Un dubbio gli attraversava il cervello facendogli correre un brivido lungo la schiena:

possibile che il liquido superiore avesse una tensione di vapore diversa rispetto all’acqua? Possibile che una una parte dell’acqua, pur mantenendo la stessa composizione chimica, avesse cambiato struttura?

Nikolai Feydakin non riusciva a darsi risposte certe e  decise che il mondo doveva sapere di quella che sarebbe potuta essere una grande scoperta, la sua grande scoperta.

Chiamò quindi quell’ acqua anomala, scrisse le sue osservazioni e pubblicò  un articolo in russo, su una rivista russa, specializzata in scienza dei colloidi.

Il risultato fu che il resto mondo non seppe nulla  per molto tempo.  In Russia, però, quella scoperta non passò inosservata.

Mosca

All’ Istituto di fisica e chimica dell’Accademia delle Scienze dell’URSS, rinomato centro  di ricerca moscovita, uno degli scienziati stava leggendo un articolo quando improvvisamente ebbe un sobbalzo, si buttò sul telefono e ordinò di convocare immediatamente il chimico Nikolai Feydakin. L’ articolo dell’ oscuro chimico della provincia, aveva impressionato un pezzo grosso, Boris V Deryagin, uno dei maggiori esperti di chimica delle superfici dell’Unione Sovietica.  L’illustre scienziato, dopo aver letto quelle righe  …  credette di aver  per le mani una clamorosa scoperta e pensò  valesse la pena approfondire le analisi.

Pieno di aspettative, l’oscuro Feydakin raggiunse Mosca in men che non si dica. la delusione subentrò quasi subito.  Una volta spiegati i dettagli dell’ esperimento che l’aveva portato a quelle straordinarie conclusioni (delle quali, a dire il vero, non si rendeva ben conto),   il  potente gruppo di ricerca moscovita si sostituì all’Istituto tecnologico di Kostroma, e Feydakin, pur figurando tra gli autori negli articoli che  in seguito furono scritti sull’argomento,  già dal 1963 venne, in pratica, estromesso dalle ricerche.

Boris Deryakin e i suoi si buttarono a capofitto nella ricerca.

Lasciamo per un attimo i nostri scienziati alle loro analisi e apriamo una piccola parentesi sull’acqua, attore di spicco di questa storia.

Nessuna sostanza chimica ci è più famigliare dell’acqua. Così famigliare, che  dovendola descrivere, spesso non sappiamo dire altro che: liquido trasparente incolore, insapore, inodore dimenticando che è lei una delle chiavi della vita. Basti pensare che il nostro corpo è per il 70% fomato d’acqua, che l’acqua occupa la maggior parte della Terra, che è la

iceberg

iceberg

sostanza più utilizzata in tutte le attività umane, che, pur essendo  la più studiata fra le sostanze,  rimane anche la più misteriosa. Molteplici, infatti, sono le sue anomalie: il ghiaccio galleggia sull’acqua, il che significa che, stranamente, il solido ha densià minore della sostanza allo stato liquido: inoltre, di ghiaccio ne  esistono ben 14 tipi diversi. L’acqua ha una capacità termica molto elevata, in virtù della quale gli oceani  immagazzinano calore. Ha una forte tensione superficiale e lo si vede  provando a  far

ago che galleggia

ago che galleggia

galleggiare un ago sulla sua superficie o lo … sente  l’inesperto tuffatore, quando prende la classica spanciata.

Ma che cosa rende l’acqua così speciale , unica e … terribilmente anomala?

La risposta la si deve  cercare laggiù, nell’ infinitamente piccolo, a livello atomico e molecolare.

La molecola d’acqua è semplicissima: due atomi d’idrogeno legati ad un atomo d’ossigeno, geometria angolare e dimensioni inferiori a un nanometro. In una goccia d’acqua ci sono mille miliardi di miliardi (1021 )  di molecole d’acqua cioè talmente tante che, se le potessimo distribuire fra tutti gli uomini della terra, ne toccherebbero circa 200 miliardi per ciascuno; oppure, se le contassimo al ritmo di una al secondo, impiegheremmo acqua2trentamila miliardi di anni per contarle tutte.

molecola acquaOsserviamo la molecola più da vicino e vediamo che gli atomi di H sono legati all’ossigeno con legami semplici costituiti da coppie di elettroni non equamente condivise tra ossigeno e idrogeno ma  spostate verso l’ossigeno con formazione di un dipolo. Quindi sugli atomi di idrogeno c’è una carica positiva, e sull’atomo di ossigeno una carica negativa. Questa  la situazione va vista non su un piano, ma nello spazio secondo una geometria tetraedrica. Perciò, la molecola d’acqua può essere rappresentata come un tetraedro, con l’ossigeno al centro, gli atomi di idrogeno, parzialmente positivi, in due vertici, e le cariche negative che risiedono sull’ossigeno negli altri due vertici. L’angolo fra l’ossigeno e i due atomi di idrogeno è di circa 105 gradi.

Questa struttura ha importanti conseguenze: infatti le molecole d’acqua possono associarsi in seguito all’interazione fra la carica positiva localizzata su un atomo di idrogeno di una

legame idrogeno

legame idrogeno

molecola con la carica negativa localizzata sull’atomo di ossigeno di un’altra. Questa interazione fra molecole diverse si chiama “legame ad idrogeno” ed è più debole dei legami che tengono uniti i due idrogeni all’ossigeno della stessa molecola.

Questa situazione è stata rappresentata da Philip Ball, nel suo interessante “H2O biografia grafia dell’acqua” in modo originale, dando aspetto umano alle molecole d’acqua  mettendo al posto degli atomi di idrogeno le mani e i piedi al posto delle coppie solitarie intorno all’ ossigeno. Una molecola d’acqua può afferrarne altre due  per le caviglie  edacqua antropizzata essere afferrata a sua volta per le caviglie da altre due  molecole   in un continuo movimento la cui velocità dipende dalla temperatura.

A 0°C la situazione si blocca ed ecco che si forma il ghiaccio, la cui struttura è rigida, ma con dei vuoti che sono responsabili della bassa densità e del suo conseguente galleggiamento.

Per scaldare l’acqua è necessario rompere i legami idrogeno e quindi fornire energia e questo spiega l’alta  capacità termica che però si dimezza quando si passa alla fase solida o a quella di vapore

Per entrare nell’acqua è necessario  rompere i legami  idrogeno responsabili dell’alta spanciatatensione superficiale  e questo dà un’ idea di  quanto possa essere dolorosa la spanciata del tuffatore inesperto.

Il  legame idrogeno quindi spiega molte delle anomalie dell’ acqua

Alcune di queste anomalie,  che coinvolgono l’acqua come solvente polare  e le alterazioni della sua struttura in presenza di superfici,  però,  non sono ancora del tutto chiarite.

Ma torniamo a Deryagin e ai suoi capillari.

Lo scienziato  capì che aveva a che fare con un’ acqua con densità anomala. ma la cosa straordinaria, che stava emergendo, era  che la forma con la densità più bassa, quella anomala, in realtà doveva essere la foma più stabile. In pratica, l’acqua così come la conosciamo doveva essere metastabile rispetto a questa nuova forma d’acqua. !!!!

Deryagin sapeva perfettamente che la presenza di superfici modifica la struttura dei liquidi e ipotizzò che

la modificazione la modificazione venisse impressa a tutta l’acqua  nel momento in cui essa si condensa dal vapore all’interno del capillare.

Nessuno si sarebbe aspettato che tale modificazione si estendesse ad una distanza dalla superficie superiore a qualche strato molecolare, eppure,  al centro del capillare la distanza poteva essere anche di 5000 diametri molecolari. Inoltre perchè l’ipotesi  fosse sostenibile, bisognava ammettere che l’acqua ricordasse questa struttura modificata dopo essere passata allo stato di vapore.

Per quanto fosse azzardata, i russi  decisero di accettare questa, come  ipotesi  di lavoro.

Come primo passo  cercarono quindi di migliorare le condizioni di produzione di quest’acqua. Velocizzarono il processo, si assicurarono di utilizzare acqua pura e che i

l'apparecchiatura

l’apparecchiatura

capillari non cedessero impurezze di alcun tipo.  Per questo utilizzarono  capillari di quarzo puro allo stato cristallino, sicuramente insolubile in acqua.

E iniziarono a studiare le proprietà di quest’acqua. Le quantità però erano decisamente troppo esigue per poter condurre test sperimentali affidabili.

Conclusero comunque che l’ acqua anomala

non bolliva a 100°C  ma circa a 200°C

congelava in un ampio intervallo di temperature a partire da – 30°C,

la densità era del 40% minore di quella dell’acqua normale

la viscosità 15 volte maggiore  superiore a quella dell’acqua normale.

In pratica era come se l’acqua si fosse coagulata nei capillari.

Nel frattempo erano passati quattro anni e l’ Istituto di fisica e chimica dell’Accademia delle Scienze dell’URSS, grazie alle ricerche sull’ acqua anomala, si era ingrandito fino ad occupare una cinquantina di persone.

settembre 1966

L’impatto con l’occidente

Era giunto il momento di confrontarsi con l’occidente. Erano passati ormai quattro anni dal primo incontro con l’acqua anomala e Deryagin si sentiva ormai pronto.

Lo scienziato scelse l’inghilterra come palcoscnico per il suo annuncio e parlò della  sua sbalorditiva scoperta a Nottingham. Le reazioni non furono spettacolari: probabilmente l’inglese dello scienziato non era perfetto e non riusciva a dare enfasi alla parte rivoluzionaria della sua teoria.

Alcuni scienziati britannici, però, capirono perfettamente nonostante l’accento esotico e furono subito interessati.

Fra questi  Brian Pethica , direttore  del laboratorio di ricerca dell’Unilever e Desmond Bernal  famoso esperto di cristallografia, che negli anni trenta aveva avanzato importanti ipotesi  sul ruolo del legame idrogeno  nell’acqua liquida.  Fu proprio Bernal a invitare Deryagin a visitare i suoi laboratori. In quell’occasione,  lo scienziato russo confidò  a Bernal di ritenere che l’acqua anomal fosse una sorta di polimero con molecole legate da una forma di legame  piu forte dei soliti ponte a idrogeno.

Bernal espresse l’opinione che si trattasse della più importante scoperta chimico fisica del secolo e assegnò a un suo studente, Finney, il compito di replicare gli esperimenti dei sovietici.

Anche Pethica incominciò a lavorare sull’acqua anomala. Nel 1969 il suo gruppo pubblicò su Nature  un articolo  in cui mostrava le straordinarie  fotografie dell’acqua anomala, ma concludeva, con molta cautela, che ci sarebbe voluto più materiale e che non era certo che non potessero essersi formate impurezze.

Nel frattempo snche l’USA cominciò a muoversi.  Lo scienziato americano Robert Stromberg pubblicò i risultati dei suoi studi su Science. Con Ellis Lippincot, direttrice del

spettroscopia infrarossa

spettroscopia infrarossa

centro per gli studi sui materiali dell’ università del Maryland, aveva fatto indagini spettroscopiche sull’acqua anomala rivelando come lo spettro di assorbimento  di quest’ultima, fosse notevolmente diverso rispetto a quello dell’ acqua comune..

Conclusero che l’acqua anomala consistesse di unità polimeriche con una struttura in cui quattro unità polimeriche si riunivano a formare un quadrato.

La successiva relazione, oltre a modificare la struttura prevista precedentemente ipotizzando stavolta esagoni formati da sei molecole d’acqua in catene ramificate, diede un

poliacqua

poliacqua

nome di grande impatto alla nuova forma d’acqua:  per la prima volta si parlò di poliacqua.

Aquesto punto, dopo l’imprimatur di un auterovole scienziato americano, le comunità  scientifiche iniziarono una serie di ricerche . Nel 1969 in tutto il mondo si parlava di poliacqua. La stampa intervenne nel dibattito suggerendo miriadi di modi per utilizare la nuova scoperta:

“fra qualche anno i mobili del vostro salotto potrebbero essere fatti di poliacqua”

Era l’anno dello sbarco sulla luna e si ipotizzò che la polvere aderisse agli stivali degli astronauti perchè l’ acqua aveva resistito all’atmosfera lunare sottoforma di poliacqua, creando così il polifango.  La poliacqua, poi, veniva ricercata febbrilmente anche all’interno delle cellule viventi.

Come sempre accade  quando si profila   una nuova scoperta, non poteva mancare la voce “contro” e fu una voce accorata e per certi versi sconvolgente. F. J Donahoe, del Wikes College della Pennsylvania scrisse:

“Dopo essermi convinto dell’esistenza della poliacqua, non riesco a persuadermi della sua innocuità.(…) Soltanto la dimostrazione di organismi ambientali in grado di depolimerizzare questo materiale ne dimostrerebbe la sicurezza. Finché non sapremo per certo che tali meccanismi esistono, considero questo polimero come il materiale più pericoloso della Terra.”

La paura di Donahoe era questa: essendo la poliacqua la forma più stabile di acqua, messa a contato con acqua comune avrebbe agito come seme per la nucleazione di altra poliacqua  trasformando in breve  tutta l’acqua, in un polimero gelatinoso.

Un quadro apocalittico che costò all’autore, dure reprimende da parte degli ambienti scientifici, che si affrettarono a smentire l’incauto.

I media invece  gonfiarono gli ammonimeni di Donahoe e parlare di poliacqua pacatamente divenne dannatamente difficile. (corsi e ricorsi della storia delle scienze!)

andamento delle pubblicazioni sulla poliacqua

andamento delle pubblicazioni sulla poliacqua

Tornando alle ricerche sulla poliacqua, in quel 1969 sembrava che i centri di ricerca fossero impazziti e avendo perso ogni prudenza e capacità di indagine, si buttassero da una teoria all’altra  senza avere in mano analisi chimiche di una qualche consistenza. Era come se il desiderio di credere nella poliacqua ( e negli enormi vantaggi che ne avrebbe tratto lo scopritore) accecasse gli scienziati di mezzo mondo.

Poi qualcuno incominciò a far analisi serie e a sospettare la presenza di inquinanti nei capillari contenenti poliacqua. nel 1970 Dennis Rosseau dei laboratori Bell Thelephone a Murray Hill ( New Jersey), insieme a Sergio Porto  della Southern California University, presentò un’analisi chimica dei campioni di poliacqua prodotti con metodo standard. Le

poliacqua e sudore

poliacqua e sudore

analisi rivelarono una massiccia presenza di inquinanti come sodio, solfato,cloro. In pratica tutti gli studi fin lì condotti avevano riguardato non la fantomatica poliacqua ma un comunissimo un sale idrato!  Di più: gli spettri infrarossi condotti sulla poliacqua e su alcune gocce di …. sudore, risultavano identici!!!!!!

Naturalmente un solo articolo non poteva cambiare di colpo lo scenario. e in effetti le polemiche non mancarono e  Deryagin tenne duro il più possibile.

Nel marzo del 1971 la rivista Nature proclamò :” La poliacqua evapora”.

Da allora, ci furono  pubblicazioni sull’argomento sempre più sporadiche e nell’agosto 1973 anche Deryagin capitolò ammettendo la presenza di inquinanti e ponendo fine definitivamente all’ inquietante vicenda.

Tutta questa storia mi ha fatto riemergere un ricordo di qualche anno fa

Ricordo un giorno in cui ero molto stanca,Volevo assolutamente andare a casa e accolsi la campanella di fine scuola come una liberazione. Correndo uscii dalla scuola e  mi avviai verso la stazione. Mi stupii di non incontrare le mie solite amiche, mi stupii che l’orologio della stazione  si fosse fermato , mi stupii di sentire annunciare il treno con orario antecedente a quello che prendevo di solito, ma pensai ad un errore dello speaker, mi stupii del silenzio della stazione . Poi,  la rivelazione fu come un fulmine:  ero uscita un’ ora prima . Una moltitudine di segnali mi avevano avvertita dell’errore, ma io li avevo ignorati o interpretati a modo mio tanta era l’ansia di tornare a casa. Naturalmente tornai indietro di corsa e con il fiatone mi precipitai in classe scusandomi per un non ben identificato contrattempo che mi aveva fatto ritardare.

Morale? Mi piace pensare che non ci sia stato dolo in questa storia, ma che fosse solo il desiderio di firmare una grossa scoperta a obnubilare la mente degli scienziati di mezzo mondo,

Per concludere e per completezza d’informazione  mi sembra doveroso ricordare che mentre la storia dela poliacqua seguiva il suo corso, l’agente  007  subiva una plastica facciale come si può

locandina del film "Vivi e lascia morire"

locandina del film “Vivi e lascia morire”

notare dalla locandina del film “Vivi e lascia morire”del 73.

Purtroppo, come la poliacqua,  anche la rivoluzione dei Beatles finì nel 1970.

Bibliografia

Stefano Ossicini- L’universo è fatto di storie non solo di atomi- Neri Pozza 2012

Philip Ball- Una biografia dell’acqua”- Rizzoli 2000

Federico di Trocchio- Le bugie della scienza_ Mondadori 1999

Vincenzo Balzani – l’acqua : un approccio interdisciplinare

Questo post partcipa a ” Credici” -24°Carnevale della Chimica  ospitato dal blog I Maghimatici Laboratori scientifici

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6 risposte a Storia di un’acqua troppo speciale

  1. traslochi-roma ha detto:

    Sono stato molto contento di aver trovato questo sito. Voglio dire grazie per il vostro tempo per questa lettura meravigliosa! Io sicuramente mi sto godendo ogni post e ho gi salvato il sito tra i segnalibri per non perdermi nulla!

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  2. Sergio Palazzi ha detto:

    E, a parte tutto, basterebbe Get Back per dimostrare che Paul è uno dei giganti del rock’n’roll, che George faceva parlare la chitarra come pochi e che il bistrattato Ringo era una macchina del ritmo mica da ridere.

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  3. Mattia ha detto:

    Complimenti, articolo fantastico! mi è piaciuto un sacco!

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  4. laurin42 ha detto:

    Originale e interessante. Come sempre insegna senza apparire.
    Ti abbraccio
    Love
    L

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