Quando l’acqua è dispersa in gocce microscopiche, alcune reazioni chimiche possono avvenire più rapidamente o seguire percorsi diversi rispetto a quelli osservati in un recipiente
Quando l’acqua è dispersa in gocce microscopiche, alcune reazioni chimiche possono avvenire più rapidamente o seguire percorsi diversi rispetto a quelli osservati in un recipiente, aprendo nuove frontiere nella sintesi green in chimica. Comprendere l’origine di questo comportamento interessa sia la chimica degli aerosol atmosferici sia la ricerca di nuovi processi industriali. Una delle spiegazioni più discusse ed affermate attribuisce un ruolo decisivo ai campi elettrici che si formano spontaneamente al confine tra acqua e aria.
Una ricerca dell’Istituto per i processi chimico-fisici del Consiglio nazionale delle ricerche di Messina (Cnr-Ipcf), realizzata con istituzioni di ricerca in Italia, Francia e Cina, offre nuovi elementi per valutare questa ipotesi. Combinando simulazioni al supercalcolatore, strumenti di intelligenza artificiale e calcoli di meccanica quantistica, il gruppo ha ricostruito il campo elettrico a partire dalla distribuzione degli elettroni, confrontando superfici piane e gocce di dimensioni nanometriche, anche in presenza di cariche elettriche.
“Alla superficie dell’acqua troviamo campi elettrici molto intensi, diretti verso l’esterno della goccia. Tuttavia, questi campi si attenuano nel giro di distanze paragonabili alle dimensioni di una molecola”, spiega Giuseppe Cassone del Cnr-Ipcf, coordinatore del lavoro. “La loro intensità dipende soprattutto da come le molecole si organizzano e si legano tra loro nella zona di contatto con l’aria”.
In questa regione, infatti, le molecole d’acqua hanno meno vicine rispetto a quelle immerse nel liquido. Cambia così la loro rete dei legami a idrogeno e si modifica la distribuzione delle cariche elettriche. Il campo superficiale riflette questa organizzazione locale.
Una delle principali spiegazioni proposte finora attribuiva la maggiore reattività delle microgocce ai campi elettrici presenti sulla loro superficie: secondo questa ipotesi, gocce più piccole avrebbero generato campi più intensi, capaci di accelerare le reazioni chimiche. Il nuovo studio mostra però che l’intensità di questi campi cambia poco con le dimensioni e con l’acidità delle gocce. Per le microgocce utilizzate negli esperimenti, le differenze legate alle dimensioni risultano addirittura trascurabili. La loro sorprendente reattività richiede quindi una spiegazione che vada oltre la sola intensità del campo elettrico superficiale.
“Per comprendere la chimica delle microgocce occorre considerare come l’ambiente superficiale modifica le interazioni delle molecole coinvolte nelle reazioni”, aggiunge Gabriele Amante, primo autore del lavoro. “I nostri risultati invitano la comunità scientifica a riconsiderare l’idea che basti un campo elettrico intenso a spiegare la chimica che accade alla superficie dell’acqua”.
Lo studio, pubblicato sul prestigioso Journal of the American Chemical Society (JACS), fornisce un riferimento per verificare le ipotesi sulla reattività delle microgocce e orientare nuove indagini sperimentali. L’origine dell’accelerazione delle reazioni resta una questione aperta, da affrontare studiando insieme l’organizzazione dell’acqua e le specie chimiche presenti alla sua superficie.
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