The water anomalies and its hidden critical processes remain an elusive open problem of liquid physics. Time-resolved optical spectroscopy enables new investigations of water dynamics. Our recent experimental studies bring evidence of the coexistence of two local structural configurations of the water molecules, which are interpreted as high-density and low-density water forms.L’acqua presenta alcuni fenomeni fisici anomali che rimangono a tutt’oggi un problema aperto per la fisica dei liquidi. La spettroscopia ottica risolta nel tempo consente nuove indagini dinamiche dell’acqua. I nostri recenti studi sperimentali mostrano evidenze sulla coesistenza di due configurazioni strutturali locali delle molecole di acqua, queste sono interpretate come due forme di acqua liquida caratterizzate da alta densità e bassa densità

Torre, Renato

Firenze University Press: E-Journals

Il Colle di 
Galileo
© 2013 Firenze University Press Vol. 2, 2, 2013, pp. 73-76
ISSN 2281-7727 (print), ISSN 2281-9711 (online) www.fupress.com/cdg
IN EVIDENZA / HIGHLIGHTS
Renato Torre 
Organizzazione molecolare 
nell’acqua liquida, nuove evidenze 
sperimentali
Local structures of liquid water, new experimental results
Dipartimento di Fisica e Astronomia, UNIFI
Sommario. L’acqua presenta alcuni fenomeni fisici anomali che rimangono a tutt’oggi un 
problema aperto per la fisica dei liquidi. La spettroscopia ottica risolta nel tempo consente 
nuove indagini dinamiche dell’acqua. I nostri recenti studi sperimentali mostrano evidenze 
sulla coesistenza di due configurazioni strutturali locali delle molecole di acqua, queste sono 
interpretate come due forme di acqua liquida caratterizzate da alta densità e bassa densità.
Parole chiave. Acqua, supercooled, transizione liquido-liquido, spettroscopia ultraveloce, 
femto laser.
L’acqua liquida può essere portata a temperature più basse di 0 °C senza che av-
venga il congelamento, questa fase metastabile dell’acqua è detta “supercooled”. 
Quando l’acqua si avvicina o entra in questa fase mostra una serie di caratteristi-
che fisiche anomale rispetto agli altri liquidi; ad esempio la sua densità presenta 
un massimo a 4 °C per poi decrescere a temperature minori, la sua viscosità ini-
zia a divergere sotto gli 0°C. 
Abstract. The water anomalies and its hidden critical processes remain an elusive open prob-
lem of liquid physics. Time-resolved optical spectroscopy enables new investigations of wa-
ter dynamics. Our recent experimental studies bring evidence of the coexistence of two local 
structural configurations of the water molecules, which are interpreted as high-density and 
low-density water forms.
Keywords. Water, supercooled phase, liquid-liquid transition, ultrafast spectroscopy, femto laser. 
Water can remain liquid below its freezing point and stays in a metastable phase known as 
“supercooled”. When water approaches or enters this phase it displays a series of anomalous 
physical characteristics that distinguish it from other liquids; for example its maximum density 
is at 4°C, decreasing at lower temperatures, while the viscosity begins to diverge at tempera-
tures of under 0°C.
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Renato Torre
Renato Torre
Fig 1. Molte delle proprietà dell’acqua sono determinate dalle strutture locali che le molecole formano per ef-
fetto dei legami ad idrogeno che le legano. In questa figura sono schematicamente rappresentate le molecole 
di acqua e la rete di legami ad idrogeno che si forma nella fase liquida.
Fig. 1. Many of the properties of water are determined by the local molecular structures formed via hydrogen bonds. In 
the figure we show a diagram of the water molecules and the hydrogen bond networks characterizing the liquid phase.
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Local structures of liquid water, new experimental results
Organizzazione molecolare nell’acqua liquida, nuove evidenze sperimentali
In effetti l’acqua è formata da molecole relativamente semplici ma interconnes-
se da legami forti (legame ad idrogeno) che rendono questo liquido molto com-
plesso da descrivere tramite dei modelli fisici.
Il modello attualmente più accreditato ipotizza che l’acqua sia in realtà for-
mata dai due tipi di liquido diversi: acqua di bassa densità e acqua di alta densi-
tà. La prima caratterizzata da strutture locali intermolecolari tetraedriche, molto 
simili a quelle presenti nel ghiaccio, la seconda da strutture meno ordinate e più 
compatte. Secondo questo modello, a basse temperature queste due forme di ac-
qua sono distinte e separate da una transizione di fase, mentre a più alte tempe-
rature si compenetrano e si scambiano continuamente su scale temporali molto 
veloci, tipicamente 10-12 secondi. Il rilevamento sperimentale è reso particolar-
mente difficile proprio dalla velocità con cui le molecole di acqua si riorganizza-
no localmente, cosi che a tutt’oggi non esiste una prova definitiva dell’esistenza 
di queste due forme di acqua.
Un gruppo di ricercatori dell’Università di Firenze [A.Taschin (LENS), 
P.Bartolini (LENS), R.Righini (Dip. di Chimica) e R.Torre (Dip. Di Fisica ed 
Astronomia)], e con un ricercatore del CNR [R.Eramo (Ist. Naz. Ottica)], presso 
i laboratori del Laboratorio Europeo di Spettroscopie Non-Lineari - LENS, so-
no riusciti a misurare la dinamica dell’acqua liquida fino a temperature di -28 °C 
tramite una tecnica di spettroscopia ultraveloce basata su sorgenti laser a femto-
secondi (10-15 secondi). La misura delle vibrazioni intermolecolari e delle dinami-
che locali delle molecole d’acqua hanno evidenziato la presenza di due principali 
organizzazioni molecolari: una caratterizzata da un elevato ordine tetraedrico 
Despite the relative simplicity of water molecules,  its liquid phase is very difficult to de-
scribe using physical models because of the strong network of hydrogen bonds formed by 
the molecules.
The currently most accredited model assumes that water is actually made up of two differ-
ent types of liquid: low-density water and high-density water. The former is characterized by 
tetrahedral local intermolecular structures, very similar to those found in ice, and the latter by 
less ordered and more compact structures. According to this model, at low temperatures these 
two water forms are distinct and separated by a phase transition, while at higher temperatures 
they interpenetrate and continually exchange in extremely rapid timeframes, typically 10-12 
seconds. The experimental detection of these two water forms is  made particularly difficult 
precisely by the speed and frequency of the rearrangements of the local liquid structures. To 
date there is still no definitive proof of the existence of these two water forms.
A group of researchers at the University of Florence [A. Taschin (LENS), P. Bartolini (LENS), 
R. Righini (Department of Chemistry) and R. Torre (Department of Physics and Astronomy)], 
together with a researcher from the CNR [R. Eramo (National Institute of Optics)], working 
in the laboratories of the European Lab. for Non-Linear Spectroscopy - LENS, measured the 
dynamics of liquid water at temperatures down to -28°C using an ultrafast spectroscopy tech-
nique based on femtosecond laser sources (10-15 seconds). The measurement of the intermo-
lecular vibrations and the local dynamics of the water molecules revealed the presence of two 
major molecular organizations: one characterized by a high order of tetrahedral hydrogen 
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Renato Torre
Renato Torre
dei legami ad idrogeno, mentre l’altra presenta forti distorsioni del reticolo loca-
le. Queste due tipi di organizzazione locale delle molecole d’acqua possono essere 
interpretate come evidenze dell’esistenza di acqua di bassa e alta densità. Il lavo-
ro è stato pubblicato sulla rivista Nature Communication [NatComm, 4 (2013) 
2401; doi: 10.1038/ncomms3401].
Renato Torre è ricercatore presso il Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell’U-
niversità di Firenze e coordinatore della linea di ricerca Soft Matter Physics del 
Laboratorio Europeo di Spettroscopie Non-Lineari presso la stessa Università. La 
sua attività di ricerca riguarda lo studio sperimentale di liquidi complessi e ma-
teriali amorfi, in particolare le fasi sottoraffreddate e vetrose. Negli ultimi anni 
si è dedicato allo studio dei processi dinamici dell’acqua, sia di volume che na-
noconfinata, mediante tecniche di spettroscopia ultraveloce utilizzando sorgenti 
laser al femtosecondo. Torre è co-autore di un centinaio di lavori scientifici e edi-
tor di un libro, ha partecipato a numerosi congressi internazionali in qualità di 
invited speaker e/o di membro del comitato scientifico. È stato Visiting Scholar 
alla Stanford University e coordinatore di progetti di ricerca nazionali ed europei.
bonds, while the other presents strong local distortions of the lattice. These two types of local 
organization of water molecules can be interpreted as evidence of the existence of water of 
low and high density. The research has been published in the journal Nature Communication 
[NatComm, 4 (2013) 2401; doi: 10.1038/ncomms3401].
Renato Torre is a researcher at the Department of Physics and Astronomy, University of Flor-
ence and is the coordinator of the Soft Matter Physics research line at the European Labora-
tory for Non-Linear Spectroscopy of the same University. His research activity concerns the 
experimental study of complex fluids and amorphous materials, in particular the supercooled 
and glassy phases. Over recent years, his research has been focalized on investigation of the 
dynamic processes of water, both in bulk phase and under nano-confinement, by means of 
ultrafast spectroscopy based on femtosecond laser sources. Torre is co-author of about one 
hundred scientific papers and editor of a book; he has taken part in numerous international 
conferences as invited speaker and/or as member of the Scientific Committee. He was a Vis-
iting Scholar at Stanford University and has coordinated research projects on both national 
and European scale.


Organizzazione molecolare nell’acqua liquida, nuove evidenze sperimentali

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Organizzazione molecolare nell’acqua liquida, nuove evidenze sperimentali

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