water physics

Water can remain liquid below its melting point and stays in a metastable phase known as “supercooled”. When water approaches or enters this phase shows a series of anomalous physical behaviors that distinguish water from the other liquids; for example the density shows a maximum for 4 °C and decreases at lower temperatures, the viscosity begins to diverge under the 0 °C.

Despite the simplicity of water molecules its liquid phase is very complex to be described by physical models, this is due to the strong network of hydrogen bonds formed by the molecules.

The most accredited model assumed that the water is actually formed by two different liquids: low-density and high- density water. The first is characterized by intermolecular tetrahedral local structures, very similar to those found in ice, the second by less ordered and more compact structures. According to this model, at low temperatures these two water forms are distinct and separate from a phase transition, while at higher temperatures they interpenetrate and continually exchange on very fast time scales, typically 10^-12 seconds. The experimental detection of this two water forms is ​​particularly difficult because of the fast and frequent rearrangements of the local liquid structures. To date is still missed a definitive proof of the existence of these two water forms.

Our group, in the laboratories of the European Lab. for Non-Linear Spectroscopy (LENS), measured the dynamics of liquid water at temperatures down to -28 °C using a ultrafast spectroscopy technique based on femtosecond laser sources (10^-15 seconds). The measurement of the intermolecular vibrations and the local dynamics of the water molecules have shown the presence of two major molecular organizations: one characterized by a high order of tetrahedral hydrogen bonds, while the other presents strong local distortions of the lattice. These two types of local organization of water molecules can be interpreted as evidence of the existence of water of low and high density.

L’acqua liquida può essere portata a temperature più basse di 0 °C senza che avvenga il congelamento, questa fase metastabile dell’acqua è detta “supercooled”. Quando l’acqua si avvicina o entra in questa fase mostra una serie di caratteristiche fisiche anomale rispetto agli altri liquidi; ad esempio la sua densità presenta un massimo a 4 °C per poi decrescere a temperature minori, la sua viscosità inizia a divergere sotto gli 0°C.

In effetti l’acqua è formata da molecole relativamente semplici ma interconnesse da legami forti (legame ad idrogeno) che rendono questo liquido molto complesso da descrivere tramite dei modelli fisici.

Il modello attualmente più accreditato ipotizza che l’acqua sia in realtà formata dai due tipi di liquido diversi: acqua di bassa densità e acqua di alta densità. La prima caratterizzata da strutture locali intermolecolari tetraedriche, molto simili a quelle presenti nel ghiaccio, la seconda da strutture meno ordinate e più compatte. Secondo questo modello, a basse temperature queste due forme di acqua sono distinte e separate da una transizione di fase, mentre a più alte temperature si compenetrano e si scambiano continuamente su scale temporali molto veloci, tipicamente 10-12 secondi. Il rilevamento sperimentale è reso particolarmente difficile proprio dalla velocità con cui le molecole di acqua si riorganizzano localmente, cosi che a tutt’oggi non esiste una prova definitiva dell’esistenza di queste due forme di acqua.

Il nostro gruppo, presso i laboratori del Laboratorio Europeo di Spettroscopie Non-Lineari - LENS, sono riusciti a misurare la dinamica dell’acqua liquida fino a temperature di -28 °C tramite una tecnica di spettroscopia ultraveloce basata su sorgenti laser a femtosecondi (10-15 secondi). La misura delle vibrazioni intermolecolari e delle dinamiche locali delle molecole d’acqua hanno evidenziato la presenza di due principali organizzazioni molecolari: una caratterizzata da un elevato ordine tetraedrico dei legami ad idrogeno, mentre l’altra presenta forti distorsioni del reticolo locale. Queste due tipi di organizzazione locale delle molecole d’acqua possono essere interpretate come evidenze dell’esistenza di acqua di bassa e alta densità.