Ghiaccio superionico ultra caldo: un nuovo stato della materia

Gli scienziati hanno appena spremuto una goccia d'acqua tra due diamanti e l'hanno fatta esplodere a temperature stellari con uno dei laser più potenti del mondo. Il risultato è stato una nuova e misteriosa fase dell'acqua

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Gli scienziati hanno appena spremuto una goccia d’acqua tra due diamanti e l’hanno fatta esplodere a temperature stellari con uno dei laser più potenti del mondo. Il risultato è stato una nuova e misteriosa fase dell’acqua

Chiamato ghiaccio superionico, l’acqua “strana e nera” esiste alle stesse pressioni e temperature di quelle al centro della Terra, un fatto che potrebbe presto aiutare i ricercatori a indagare sui segreti sepolti nei nuclei di altri mondi

In precedenza, i ricercatori hanno utilizzato le onde d’urto per creare questo strano ghiaccio per soli 20 nanosecondi prima che si dissolvesse. Questo nuovo esperimento segna la prima volta che gli scienziati hanno creato ghiaccio superionico stabile che dura abbastanza a lungo da essere studiato in dettaglio. 

I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nature Physics

“È stata una sorpresa: tutti pensavano che questa fase non sarebbe apparsa fino a quando non ci si trovava a pressioni molto più elevate rispetto a dove l’abbiamo trovata per la prima volta“, ha dichiarato in una nota il coautore dello studio Vitali Prakapenka, geofisico presso l’Università di Chicago e scienziato della linea di luce presso l’Advanced Photon Source presso l’Argonne National Laboratory.

Liquido, vapore e ghiaccio sono le fasi più comuni dell’acqua, ma le molecole d’acqua possono anche stabilirsi in altre disposizioni che rappresentano fasi diverse. In effetti, gli scienziati hanno identificato 20 fasi del ghiaccio d’acqua: i diversi modi in cui gli atomi di idrogeno e ossigeno legati possono accumularsi a temperature e pressioni variabili. 

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Ad esempio, ghiaccio VI e ghiaccio VII hanno molecole che si dispongono rispettivamente in prismi o cubi rettangolari. Il ghiaccio XI si capovolge se viene posizionato all’interno di un campo elettrico, e il ghiaccio XIX è fragile e ha solo i suoi atomi di idrogeno che formano uno schema regolare.

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Il ghiaccio superionico supercaldo e altamente pressurizzato è la diciottesima fase del ghiaccio da scoprire, ed è una delle più strane. Questo perché i suoi atomi di ossigeno si bloccano in posizione come farebbero in un solido, ma i suoi atomi di idrogeno, dopo aver ceduto i loro elettroni, diventano ioni – nuclei atomici privati ​​dei loro elettroni e quindi carichi positivamente – che sono liberi di fluire attraverso il ghiaccio come se fossero un fluido. 

“Immagina un cubo, un reticolo con atomi di ossigeno agli angoli collegati dall’idrogeno”, ha detto Prakapenka“Quando si trasforma in questa nuova fase superionica, il reticolo si espande, consentendo agli atomi di idrogeno di migrare mentre gli atomi di ossigeno rimangono stabili nelle loro posizioni. È una specie di reticolo di ossigeno solido seduto in un oceano di atomi di idrogeno fluttuanti”.

Questi atomi di idrogeno nuotanti impediscono alla luce di passare attraverso il ghiaccio in un modo prevedibile, conferendogli il suo aspetto nero.

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Un gruppo guidato dal professore di chimica dell’Università di Sassari Pierfranco Demontis ha teorizzato per la prima volta l’esistenza del ghiaccio superionico nel 1988, e i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory in California ne hanno trovato la prima prova nel 2018. Facendo esplodere una goccia d’acqua con un’onda d’urto ad alta pressione generata da un laser, i ricercatori hanno raggiunto le temperature e le pressioni necessarie affinché il ghiaccio superionico appaia momentaneamente e hanno persino misurato la conduttività elettrica del ghiaccio e intravisto la sua struttura in pochi nanosecondi (miliardesimi di un secondo), prima che il ghiaccio superionico si sciogliesse.

Per effettuare misurazioni più dettagliate, Prakapenka e i suoi colleghi avevano bisogno di creare il ghiaccio in una forma più stabile. Quindi hanno spremuto la loro goccia d’acqua con un’incudine di diamante da 0,2 carati e l’hanno fatta esplodere con un laser. La durezza dei diamanti ha permesso all’incudine di pressurizzare la goccia a 3,5 milioni di volte la pressione atmosferica della Terra e il laser l’ha riscaldata a temperature più calde della superficie del sole. Quindi, con un dispositivo di accelerazione degli elettroni chiamato sincrotrone, il team ha lanciato fasci di raggi X sulla goccia. Misurando le intensità e gli angoli dei raggi X che sono stati diffusi dagli atomi all’interno del ghiaccio, i ricercatori hanno identificato la struttura del ghiaccio superionico.

Ghiaccio superionico una guida utile per la ricerca di vita aliena

Questo metodo ha dato ai ricercatori un lasso di tempo più lungo – nell’intervallo dei microsecondi (milionesimi di secondo) – per osservare il loro ghiaccio rispetto all’esperimento dell’onda d’urto. Quel tempo in più significava che potevano tracciare con precisione le diverse transizioni di fase della goccia d’acqua mentre si trasformava in ghiaccio superionico.

Ulteriori studi potrebbero aiutare gli scienziati a comprendere meglio le proprietà del ghiaccio e mappare le condizioni in cui si verificano le diverse fasi del ghiaccio in natura. Poiché gli ioni di idrogeno fluttuanti possono creare un campo magnetico, i ricercatori si chiedono se i ghiacci superionici siano sepolti nei nuclei di pianeti come Nettuno e Urano, o intrappolati nei mari ghiacciati della luna di Giove, Europa, che ha una crosta ghiacciata. 

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In tal caso, i ghiacci potrebbero svolgere un ruolo chiave nell’induzione delle magnetosfere che circondano questi mondi, o mondi alieni oltre il nostro sistema solare. Poiché le magnetosfere sono, a loro volta, responsabili della schermatura dei pianeti dalle radiazioni solari dannose e dai raggi cosmici, sapere come e dove si forma il ghiaccio superionico potrebbe diventare una guida estremamente utile per gli scienziati alla ricerca di vita aliena.

Per ora, ci sono molte altre proprietà del nuovo ghiaccio da esplorare, inclusa la sua conduttività, viscosità e stabilità chimica, informazioni cruciali per prevedere dove potrebbe formarsi lo strano ghiaccio altrove.

“È un nuovo stato della materia, quindi agisce fondamentalmente come un nuovo materiale e potrebbe essere diverso da quello che pensavamo”, ha concluso Prakapenka.

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