Spesso, per scoprire qualcosa di importante non è necessario andare a cercare fenomeni insoliti e fantasiosi o situazioni lontane ed esotiche. Ci basta andare in profondità in ciò che la realtà mette davanti ai nostri occhi tutti i giorni. Così – per riportare forse il massimo esempio storico – è successo a Galileo con il cielo stellato e la Luna: le sue scoperte sono partite da ciò che poteva vedere tutti i giorni. Se ci spostiamo nel campo della chimica, ci sono costituenti del nostro mondo ordinario che non smettono di stupire per le loro insospettabili e molteplici caratteristiche.
Il caso più eclatante è certamente quello dell’acqua. La sua molecola H2O è una delle più straordinarie dell’intero universo; e non solo perché il nostro corpo ne è costituito per più del 70% e pochi pianeti dispongono di acqua in forma liquida in così grande quantità come la Terra. Le sue caratteristiche fisico-chimiche la rendono oggetto di studio incessante e diffuso in tutto il mondo. Gli ultimi decenni di studi hanno potuto mostrarne sempre di più l’unicità, tanto a livello della sostanza che essa va a costituire, quanto per le sue intrinseche caratteristiche molecolari.
Ma lo studio può anche focalizzarsi sui particolari stati fisici in cui l’acqua si può trovare, come un gruppo di ricercatori della Xiamen University, in Cina, ha fatto nei messi passati, interessandosi soprattutto all’acqua nel suo stato solido, il ghiaccio. La molecola in cui i due atomi di Idrogeno e l’atomo di Ossigeno si strutturano è assimilabile a un piccolo dipolo elettrico, un corpo nel quale la carica elettrica si distribuisce in maniera diseguale, polarizzandosi positivamente e negativamente alle due estremità. Questa caratteristica è una delle più importanti della molecola d’acqua ed è ciò che, per esempio, la rende un ottimo solvente naturale.
Le molecole, quando l’acqua è allo stato liquido, sono libere di muoversi e orientarsi nello spazio, cosa che non può succedere allo stato solido, quando l’acqua, cioè, si presenta a noi sottoforma di ghiaccio. In questo stato le molecole vengono immobilizzate in configurazioni casuali e differenti, che rispondono alle interazioni fra i loro poli elettrici molecolari. Tali configurazioni caotiche, di fatto, annullano l’effetto dei dipoli a livello macroscopico, rendendo il ghiaccio una sostanza elettricamente neutra. Se, invece, i dipoli si orientassero in una direzione preferenziale ben definita, le caratteristiche elettriche dell’acqua solida muterebbero drasticamente. Ciascun dipolo, infatti, dà origine a una piccola differenza di potenziale: orientandoli opportunamente, la differenza di potenziale fra l’inizio e la fine della fila di dipoli sarebbe diversa da zero.
La situazione è in qualche modo simile a quella dei gradini di un scala: un solo gradino fa salire della sua altezza, mentre la somma di tutti i gradini dà l’altezza della scala. Come risultato si può formare un campo elettrico non nullo. Il ghiaccio così “costruito” mostrerebbe perciò una importante caratteristica, cioè la ferroelettricità. I materiali ferroelettrici sono caratterizzati da una polarizzazione elettrica spontanea che può essere invertita tramite l’applicazione di un campo elettrico esterno: questa proprietà ha contribuito alla loro vasta diffusione in varie applicazioni legate alla microelettronica, alla costruzione di computer e nei trasformatori.
È proprio quello che il gruppo di ricercatori della Xiamen University è riuscito a fare, allineando catene di dipoli H2O. Per fare ciò hanno utilizzato le nanotecnologie, costruendo dei nano-canali su supporto di platino che possono contenere esattamente 96 dipoli H2O per unità di cella.
Di per sé la ferroelettricità del ghiaccio è in realtà un fenomeno già noto, e anzi c’è chi ne suppone l’esistenza anche su Nettuno e Plutone; la ferroelettricità scoperta dai ricercatori cinesi mostra però dei cambiamenti repentini a seconda della temperatura: abbassando progressivamente la temperatura da quella iniziale di 77° C, hanno trovato che la catena d’acqua va incontro non solo a due enormi anomalie dielettriche approssimativamente a 4° C e a -98° C, ma che essa subisce – sempre a 4° C – una transizione di fase spontanea da “monodimensionale liquido” a “monodimensionale ferroelettrico”.
«Sappiamo – commenta Xiao Cheng Zen, che ha diretto lo studio – che il punto di solidificazione è differente da quello che si ha in condizioni normali a causa del confinamento in nanocanali. Perché il ghiaccio monodimensionale si formi a una temperatura superiore è ancora una questione aperta». Le proprietà fin qui scoperte di questa catena d’acqua monodimensionale ci consentiranno di comprendere le proprietà anomale dell’acqua e forse la sintesi di nuovi materiali ferroelettrici.