Quando l'acqua congela

Sembrerebbe proprio che la primavera sia arrivata in anticipo rispetto all'equinozio, che per la cronaca avrà luogo tra una settimana esatta... ma lo spunto del post di oggi darà i brividi agli irriducibili del #teaminverno, e magari incuriosirà gli altri: il gelo! :-D
La foto qui sotto immortala il lago Bajkal, nella gelida Siberia.

Nella foto qui sotto Andy Poineau sembra sospeso nel vuoto: in realtà è in piedi sulla superficie del lago Charlevoix ghiacciato.

E il video seguente mostra l'insolito spettacolo di una bolla che congela.

Se fa tanto ma tanto freddo, come puoi smanettare con lo smartphone senza congelarti le mani? La sottoscritta ha risolto con i guanti capacitivi... ma quest'affare qui sotto va decisamente oltre! ;-)

Concludo con la traduzione di un articolo scientifico sul cosiddetto effetto Mpemba, dal titolo The Claim That Hot Water Freezes Faster Than Cold Water Just Got Even Weirder (L'affermazione che l'acqua calda congela più velocemente rispetto all'acqua fredda è appena diventata ancora più strana). Assurdo... Com'è possibile?! Beh, nell'articolo troverai tutte le risposte... forse! ;-)

Nonostante possa sembrare la contraddizione più eclatante della fisica, l'acqua calda sembra congelare più velocemente rispetto a quella fredda in determinate circostanze. Il fenomeno può essere fatto risalire ad Aristotele stesso, ma dopo secoli di esperimenti che dimostrano questo fenomeno nessuno è riuscito a spiegarlo. Ora i fisici puntano a strane proprietà dei legami a idrogeno come soluzione di uno dei più antichi misteri della fisica, ma altri sostengono che il cosiddetto effetto Mpemba non esista affatto.
Per un po' di background riguardo all'effetto Mpemba, questo fenomeno confonde i fisici fin da quando lo notò per primo Aristotele oltre 2000 anni fa. Dopo resoconti simili effettuati da scienziati del calibro di Francis Bacon e René Descartes, la possibilità che l'acqua calda congeli più velocemente rispetto a quella fredda alla fine è stata diffusamente accettata negli anni '60, grazie a uno studente tanzaniano che ha notato l'effetto preparando il gelato. Erasto Mpemba e i suoi compagni di scuola preparavano spesso gelati bollendo il latte e mescolandolo con lo zucchero, e lasciandolo poi raffreddare prima di metterlo nel congelatore. Un giorno Mpemba si spazientì e, invece di lasciare che la miscela si raffreddasse prima di metterla nel congelatore, ci mise il latte ancora bollente, e sperò per il meglio. Fra lo stupore generale, il suo gelato fu pronto prima di quello dei suoi compagni, e nel 1969 Mpemba collaborò con un professore di fisica per pubblicare un articolo che descriveva il fenomeno apparente. Ma c'è un grosso problema con l'effetto Mpemba. Per quanto esso sia stato più o meno accettato come dato di fatto, i fisici non riescono a trovare un accordo sul modo in cui funziona esattamente, perché come fa l'acqua calda a raggiungere il punto di congelamento più velocemente rispetto a quella fredda, quando l'acqua fredda ha già un enorme vantaggio?
C'è anche il problema persistente della ripetibilità. I tentativi di replicare l'effetto Mpemba in maniera infallibile e coerente sono falliti, ma ci sono abbastanza prove da evitare che venga confutato del tutto. Già nel 2012 la Royal Society of Chemistry ha promosso un concorso chiedendo agli scienziati di spiegare il fenomeno e, nonostante siano arrivati circa 22000 articoli provenienti da tutto il mondo, nessuna delle spiegazioni è stata abbastanza convincente di per sé da ottenere un ampio consenso. Come riportato per noi da Signe Dean l'anno scorso:

L'ipotesi proposta più comunemente [...] è che l'acqua calda evapori più rapidamente, perdendo massa ed avendo pertanto bisogno di perdere meno calore per congelare. Tuttavia gli scienziati hanno anche dimostrato l'effetto Mpemba con contenitori chiusi, dove l'evaporazione non avviene. Un'altra speculazione teorica è che l'acqua sviluppa correnti di convezione e gradienti di temperatura quando raffredda. Un bicchiere d'acqua calda che raffredda rapidamente avrà differenze di temperatura maggiori da un punto all'altro, e perderà calore più rapidamente dalla superficie, mentre un bicchiere d'acqua uniformemente fresco ha una differenza di temperatura inferiore, e c'è una minore convezione ad accelerare il processo. Ma nemmeno questa idea è stata del tutto verificata.

Così, dopo secoli di esperimenti, siamo ancora in cerca di risposte. Ora i ricercatori della Southern Methodist University di Dallas e della Nanjing University in Cina pensano di poter avere una soluzione: le strane proprietà dei legami formati tra gli atomi di idrogeno e ossigeno nelle molecole d'acqua potrebbero essere la chiave per spiegare l'inafferrabile effetto Mpemba. Simulazioni di gruppi di molecole d'acqua hanno rivelato che la forza dei legami a idrogeno in una determinata molecola d'acqua dipende dalle disposizioni delle molecole d'acqua vicine. «Quando l'acqua viene riscaldata, i legami più deboli si rompono, e gruppi di molecole si riuniscono in frammenti che possono riallinearsi per formare la struttura cristallina del ghiaccio, che serve come punto di partenza per il processo di congelamento», riferisce Emily Conover per Science News. «Affinché l'acqua fredda si riorganizzi in questo modo, devono prima rompersi i legami a idrogeno deboli». In altre parole troviamo una percentuale maggiore di legami a idrogeno forti nell'acqua calda piuttosto che nell'acqua fredda, perché quelli più deboli si sono rotti all'aumentare della temperatura. Come conclude la squadra nell'articolo:

L'analisi [...] ci porta a proporre una spiegazione molecolare dell'effetto Mpemba. Nell'acqua calda i legami a idrogeno più deboli con contributi prevalentemente elettrostatici si rompono, ed esistono gruppi di molecole d'acqua più piccoli con [...] disposizioni di legami a idrogeno forti che accelerano il processo di nucleazione che conduce al reticolo esagonale del ghiaccio solido. Pertanto l'acqua congela più velocemente rispetto all'acqua fredda, nella quale la trasformazione da un gruppo di molecole d'acqua disposte casualmente costa tempo ed energia.

Ma, come con tutte le spiegazioni che sono venute prima di questa, avremo bisogno di vedere più prove prima di poter sapere con certezza che questo – o una combinazione di fattori – è veramente in gioco nell'effetto Mpemba. Mentre alcuni fanno dipendere il problema della ripetibilità da diversi fattori che si combinano in diversi modi per dar luogo al fenomeno – incluse la convezione, l'evaporazione e la sopraffusione – e il fatto che il congelamento è un processo graduale, non istantaneo, altri affermano che l'effetto Mpemba non è nient'altro che un mito incredibilmente persistente. Un altro articolo recente di una squadra dell'Imperial College di Londra ha monitorato il tempo impiegato da campioni d'acqua calda e fredda per raggiungere il punto di congelamento (0°C). «Qualsiasi cosa abbiamo fatto, non abbiamo potuto osservare nulla di simile all'effetto Mpemba», ha dichiarato a Science News uno dei ricercatori, Henry Burridge. Allora, cosa sta succedendo realmente qui? Dovremo aspettare e vedere quale conclusione – se del caso – verrà confermata con ulteriori ricerche, ma una cosa è certa quando si tratta di acqua: riesce ancora a sorprenderci, anche dopo tutti questi anni.
L'articolo sui legami a idrogeno è stato pubblicato nel Journal of Chemical Theory and Computation, e l'articolo che lo confuta è stato pubblicato in Scientific Reports.