“L’acqua è un liquido quantistico” di Gianfranco Pellegrini

L’acqua è un liquido quantistico (parte 1): un importante contributo di Gianfranco Pellegrini, CTO e cofounder di TEON, tratto dal sito LOWENERGIES

In un articolo precedente (Campi VLF e acqua in dinamica biochimica) abbiamo introdotto il concetto di “Exclusion Zone” (EZ) dell’acqua, spiegando che queste zone godono di particolari proprietà⁽¹⁾, difficilmente spiegabili con l’artificiosa introduzione di potenziali elettrostatici classici applicati alla dinamica intermolecolare al solo fine di poter dare una plausibile interpretazione alle osservazioni sperimentali⁽²⁾.

Ragionando in questa scala di valori, liberare un elettrone dalla molecola d’acqua richiede un’enorme quantità di energia⁽³⁾ assolutamente non raggiungibile mediante l’interazione elettrostatica fra molecole d’acqua adiacenti. Dunque la capacità riducente mostrata dall’acqua non può essere attribuita a fenomeni elettrostatici circoscritti, ma va ricercata in una ben più intensa interazione di natura collettiva che coinvolge la dinamica di un gran numero di molecole.

In questo articolo approfondiremo le implicazioni dell’elettrodinamica quantistica (QED) sulla termodinamica dell’acqua⁽⁴⁾ e scopriremo come e perché tali implicazioni potrebbero giustificare l’effetto riducente non attribuibile alla ionizzazione.

Se eccitato da un campo elettromagnetico di fondo (vuoto quantistico), un insieme di molecole d’acqua può entrare in oscillazione tra due sue configurazioni interne.

Ciascuna molecola d’acqua ha le dimensioni di circa 2 Angström (Å), mentre l’energia necessaria per consentire una transizione energetica da uno stato al successivo è pari a 12,06  eV e dunque, un fotone è in grado di fornire tale energia solo se la sua lunghezza d’onda è pari ad almeno circa 158 Å ⁽⁵⁾, cioè 80 volte più grande del diametro di una molecola d’acqua.

Si tratta di verificare se le molecole d’acqua stanno fra loro sufficientemente vicine da poter essere eccitate contemporaneamente da uno stesso fotone, dando luogo ad un processo di oscillazione collettiva che coinvolge tutte le molecole investite dal fotone.

Una prima molecola d’acqua eccitata da un fotone incidente può decadere rilasciando al fondo ambientale l’energia ricevuta oppure può trasmettere tale energia ad una molecola vicina eccitandola. Chiamando P la probabilità di eccitazione di una seconda molecola, N il numero di molecole presenti nel volume V = λ³ “investito” dal fotone ed n  = N/V la densità molecolare dell’acqua, ci sarà un valore critico di n (n_cr), corrispondente ad un valore critico di V (V_cr = N/n_cr) tale che PVn_cr = 1.

Tenendo conto del fatto che:

• la distanza intermolecolare fra due molecole d’acqua contigue è pari a d = 17,6 Å ⁽⁶⁾
• il volume d’azione del fotone è pari a V = λ³ = 158³ = 3.912.534 ų
• il numero massimo di molecole contenibile nel volume V è pari a N = V/(d³·0,74048) = 1.852⁽⁷⁾ molecole
• n = N/V = 1.852/3.912.534 = 0,000473337 molecole H₂O/ ų

la massima probabilità P di eccitazione di una seconda molecola da parte della prima è pari a P = 1/V·n = 0,05%.

D’altro canto il fotone non ha alcuna probabilità di tornare al fondo ambientale e dunque resta intrappolato nell’insieme di molecole d’acqua. Ciò avviene per tutti i fotoni provenienti dal fondo ambientale e in brevissimo tempo, all’interno dell’insieme delle molecole contenute nel volume V, si crea un grande campo elettromagnetico crescente: è quel che gli scienziati chiamano Dominio di Coerenza (CD).  

Secondo un teorema generale di elettrodinamica, le altre molecole che transitano vicino al CD vengono attratte dalla risonanza al suo interno producendo l’enorme aumento di densità effettivamente osservato nella transizione vapore-liquido che termina solo quando i nuclei “duri” delle molecole vanno a stretto contatto fra loro.

Il valore di saturazione raggiunto dall’acqua liquida è 1.600 volte più alto della densità del vapore acqueo. Secondo i calcoli matematici⁽⁴⁾, la dinamica che si instaura mette gli elettroni in oscillazione permanente fra lo stato fondamentale e lo stato eccitato a 12,06 eV⁽⁸⁾.

Il CD mantiene permanentemente al suo interno un campo elettromagnetico attivo di lunghezza d’onda pari a 158 Å, ossia 41,1·10¹³ Hz o ancora 165 eV.

Secondo una proprietà generale della teoria quantistica dei campi, la frequenza del campo generato all’interno del dominio di coerenza è circa 7,5 volte inferiore a quello del campo libero.

Questa rinormalizzazione della frequenza del campo per adeguarsi alla frequenza del CD è la causa del suo “auto-intrappolamento” ed elimina di fatto l’effettiva distinzione fra materia e campo.

In realtà, ciò che otteniamo è un’intima “miscela” di materia e campo che potremmo definire “materia energizzata”⁽⁹⁾.  

Il meccanismo di “auto-intrappolamento” si può capire bene partendo dalla definizione di massa relativistica m:

m² = E² – c²p² = h²(ν² – c²/λ²)

essendo p il momento e ν la frequenza (nel campo libero ν = c/ λ perché come noto il fotone ha massa zero).

Come abbiamo visto all’interno del CD, ν² – c²/λ² < 0 e dunque, apparentemente, il fotone avrebbe una massa negativa (o più precisamente una massa immaginaria). Ciò significa che non si può propagare come particella e si manifesta sotto forma di energia di coesione del CD.

In accordo con i calcoli matematici⁽⁴⁾, una molecola d’acqua all’interno del CD si trova in una sovrapposizione fra stato fondamentale con probabilità pari a 0,87313 e stato eccitato con probabilità pari a 0,12687 e dunque mediamente l’energia di eccitazione è pari a 12,06 · 0,12687 = 1,53 eV, mentre il campo elettromagnetico intrappolato richiede un’energia pari a 3,55 eV per molecola.

Tuttavia l’energia di interazione tra il campo elettromagnetico intrappolato e la corrente elettrica prodotta dall’oscillazione della nuvola elettronica molecolare dà luogo ad un valore negativo di -5,34 eV, producendo un saldo netto di -0,26 eV per molecola; tale valore corrisponde anche alla frequenza di oscillazione collettiva coerente di tutte le molecole all’unisono all’interno del CD.

Interpretando il fenomeno in questo modo, l’insorgenza della coerenza elettrodinamica corrisponde ad un abbassamento dell’energia totale e contemporaneamente ad un abbassamento della sua entropia poiché la coerenza prescrive un moto comune a tutte le molecole, riducendo nettamente il numero di microstati, il cui logaritmo è proprio proporzionale all’entropia.

Proseguiremo questa trattazione nel prossimo articolo.  

Gianfranco Pellegrini, Torino – 26 settembre 2021

Note

1. Per una trattazione dettagliata della EZ si rimanda a Zheng JM, Chin WC, Khijniak E Jr, ed al. – Surfaces and interfacial water: evidence that hydrophilic surfaces have long impact. – Ad Colloid Interface Sci 2006; 23: 19-27. Qui si riassumono brevemente le principali caratteristiche della EZ:
   • All’interno della EZ l’acqua è pura e priva di qualunque altra sostanza in soluzione o in sospensione
   • L’acqua nell’EZ ha una viscosità superiore a quella dell’acqua normale
   • L’acqua in EZ è riducente mentre l’acqua normale è un blando isolante quindi, nell’interfaccia EZ / acqua normale, si realizza una pila REDOX la cui differenza di potenziale può raggiungere qualche frazione di Volt
   • La EZ diventa fluorescente se sottoposta a UV con frequenza pari a 2.700 Å.
2. Franks ed al. – Water, a comprehensive treatise. 7° Vol. – New York, Usa: Plenum Press, 1982
3. Si tratta di 12,6 eV. La frequenza necessaria per rilasciare questa energia corrisponde a 12.6 / 4.136 * 10^-15 = 3.05 * 10¹⁵ Hz, cioè circa 3 PHz. La banda degli ultravioletti è compresa fra 0,75 PHz e 30 PHz, dunque per ottenere effetti ionizzanti sulla molecola d’acqua è necessaria una radiazione ultravioletta.  
4. Arani R, Bono I, Del Giudice E, e al. – QED coherence and the thermodynamics of water – Int J Mod Physics 1995; 9: 1813-41
5. λ = h·c/E = (1,054572 · 10^-16 · 299.792.458/12,06) · 10¹⁰ ≈ 158 Å (essendo h la costante di Plank, c è la velocità della luce e λ la lunghezza d’onda).
6. Nella molecola d’acqua la distanza intramolecolare (cioé la distanza tra atomi appartenenti alla stessa molecola) é pari a 10 Å mentre la distanza intermolecolare e’ pari a 17,6 Å. Come si vede questa distanza é molto inferiore a quella che avrei sommando i raggi di Van der Waals dei 2 atomi, anche se maggiore della distanza intramolecolare del legame covalente. Questo indica che il legame intermolecolare che si instaura ha delle proprietá particolari, tanto da meritare il nome speciale di legame idrogeno.
7. Il numero 0,7048 deriva dalla soluzione del problema matematico conosciuto col nome di “impacchettamento di sfere” e riguarda la disposizione di sfere identiche non sovrapposte che riempiono uno spazio; questo problema trova applicazione pratica ad esempio nel confezionamento delle arance o nel trasporto delle angurie. Si tratta di un problema apparentemente semplice da risolvere ma che ha coinvolto menti del calibro di Keplero, Gauss, Töth; solo nel 1998 Thomas Hales annunciò la dimostrazione della congettura di Keplero: i “giudici” sentenziarono di essere “certi al 99%” della precisione della prova fornita da Hales, così la congettura di Keplero è stata “quasi” certamente provata. In pratica Hales ha “quasi” dimostrato che in ogni disposizione possibile, ogni sfera è circondata da altre 12 sfere e la densità media di ciascuna disposizione è pari π/√18 = 0,7048.
8. Lo stato eccitato raggiunto dagli elettroni nel dominio di coerenza (12,06 eV) è più basso del livello di ionizzazione (12,60 eV) di soli 0,54 eV.
9. Il termine “materia energizzata” è stato coniato alla fine dell’800 dal botanico tedesco Julius Sachs per denotare la sostanza costituente gli organismi viventi.

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