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Nuovo modello chimico-fisico dell’interfaccia tra un solvente acquoso e un soluto idrofobico

  Autore: n/a

  lunedì 26 novembre 2012 ore: 00:00:00 - letto [ 2543 ]

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Nuovi studi spettroscopici hanno permesso di ottenere un nuovo modello chimico-fisico dell’interfaccia tra un solvente acquoso e un soluto idrofobico: le molecole di acqua tenderebbero a formare tetraedri che vanno via via disgregandosi con l’aumento della temperatura. Il risultato permette di superare il vecchio modello a iceberg, che prevedeva microstrutture simili al ghiaccio (red)

Non ci vuole un chimico esperto per constatare che acqua e olio non si mescolano: al massimo in cucina si può ottenere momentaneamente un'emulsione sbattendo vigorosamente gli ingredienti. Un nuovo studio pubblicato su “Nature” a firma di Joel G. Davies e colleghi del Dipartimento di chimica della Purdue University a West Lafayette, nello Stato dell’ Indiana, chiarisce un aspetto rimasto finora oscuro sull'interazione fisica tra le due sostanze.

In chimica, le sostanze che non si sciolgono in solventi acquosi sono dette idrofobiche. Questa caratteristica è da ricondurre alla struttura microscopica delle specie chimiche che, non essendo polari, tendono a respingere le molecole di acqua. Per le strutture biologiche, questa repulsione è di enorme importanza: le membrane cellulari, per esempio, sono costituite da un doppio strato di fosfolipidi, ciascuno dei quali è formato da una testa idrofila e da una coda idrofobica. Esponendo le “teste” idrofile verso l'acqua ed escludendo le “code” dal contatto con l'acqua si realizza un confine stabile tra due ambienti acquosi (l'interno e l'esterno della cellula stessa).

Ma che cosa succede quando gruppi molecolari idrofobici si trovano immersi in acqua? La risposta non è semplice ed è stata dibattuta fin dagli anni quaranta, a partire dal lavoro di Frank ed Evans. I due studiosi scoprirono che l'idratazione di questi gruppi è associata a una diminuzione dell'entropia, mentre la capacità termica del sistema diventa anormalmente alta. Questi due effetti portarono a ipotizzare che il soluto idrofobico inducesse un rigido ordinamento nell'acqua circostante. Sulla base di questi risultati, Franck ed Evans formularono il cosiddetto modello a iceberg per l'idratazione idrofobica.

In questo modello, le molecole di soluto idrofobico inducono nell'acqua circostante la formazione di strutture ordinate simili al ghiaccio. Proprio l'ordine introdotto localmente da queste strutture potrebbe spiegare la diminuzione di entropia associata all'idratazione di molecole idrofobiche, mentre la fusione delle sfere d'idratazione che circondano il soluto potrebbero rendere conto dell'incremento nella capacità termica. Nonostante questi parziali successi nella spiegazione dei fenomeni osservati, la teoria, in particolare nella parte che prevede la formazione di microstrutture simili al ghiaccio, è stata messa in dubbio.


Goccioline di olio in soluzione acquosa fotogragate in luce trasmessa: gli studi spettroscopici hanno permesso di ottenere un modello microscopico più accurato della superficie di idratazione
In quest'ultimo studio, Davies e colleghi hanno utilizzato un'avanzata tecnica spettroscopica per ricavare in modo selettivo gli spettri dei modi vibrazionali delle molecole di acqua che idratano il soluto, rappresentato da un'ampia gamma di alcoli con gruppi idrofobi di diversa lunghezza. Sono così stati ottenute precise valutazioni sull’intensità e sulla distribuzione dei legami idrogeno intorno a questi gruppi idrofobi: il modello che emerge è ben diverso dal quello dell’iceberg, e prevede che gli stessi gruppi formino una sorta di struttura di sostegno su cui le molecole di acqua possono disporsi secondo una geometria tetraedrica.

Oltre a ciò, le misurazioni mostrano che via via che la temperatura aumenta, questo tipo di strutture tendono a scomparire e a lasciare il posto a disposizioni meno ordinate e caratterizzate da legami idrogeno più deboli.



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Fonte
http://www.lescienze.it/news/2012/1...








 

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