Recentemente al Laser Energy Laboratory di Brighton, New York, uno dei laser più potenti del mondo ha colpito una goccia d'acqua, creando un'onda d'urto che ha innalzato la pressione in quell'acqua a milioni di atmosfere e la temperatura a migliaia di gradi. I raggi X che sono passati attraverso questa goccia nella stessa frazione di secondo hanno mostrato all'umanità il primo scorcio d'acqua in condizioni così estreme. Hanno dimostrato che l'acqua all'interno dell'onda d'urto non è diventata un liquido o gas surriscaldato. No, l'acqua è gelata.
Paradossalmente, gli atomi di acqua si sono congelati per formare ghiaccio cristallino. Tuttavia, come si aspettavano i fisici, fissando gli schermi nella stanza accanto.
"Si sente uno sparo e nello stesso momento si vede che è successo qualcosa di interessante", afferma Marius Millo del Livermore National Laboratory. Lawrence, che ha condotto l'esperimento con Federica Coppari.
Cosa succede all'acqua ad alta pressione e temperatura?
I risultati di questo lavoro, pubblicati questa settimana su Nature, confermano l'esistenza del "ghiaccio superionico", una nuova fase dell'acqua dalle proprietà bizzarre. A differenza del ghiaccio familiare che si trova nel congelatore o al Polo Nord, il ghiaccio superionico è nero e caldo. Un cubetto di questo ghiaccio pesava quattro volte il peso normale. La sua esistenza è stata prevista per la prima volta oltre 30 anni fa e, sebbene non sia mai stata vista prima, gli scienziati ritengono che possa essere uno dei tipi di acqua più abbondanti nell'universo.
Anche nel sistema solare, la maggior parte dell'acqua è probabilmente sotto forma di ghiaccio superionico - nelle viscere di Urano e Nettuno. Ce n'è di più dell'acqua liquida negli oceani della Terra, Europa ed Encelado. La scoperta del ghiaccio superionico potrebbe risolvere vecchi misteri sulla composizione di questi "giganti del ghiaccio".
Gli scienziati hanno già scoperto diciotto incredibili architetture di cristalli di ghiaccio, inclusa la disposizione esagonale delle molecole d'acqua nel ghiaccio regolare (Ih). Dopo ice-I, che si presenta in due forme, Ih e Ic, le restanti forme sono numerate da II a XVII nell'ordine di apertura. Sì, "ice-9" esiste effettivamente, ma le sue proprietà non sono affatto le stesse del romanzo di Kurt Vonnegut "Cat's Cradle".
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Il ghiaccio superionico può rivendicare il mantello Ice-XVIII. Questo è un nuovo cristallo, ma contiene una cosa. Tutti i ghiacci d'acqua precedentemente noti sono composti da molecole d'acqua intatte, in cui un atomo di ossigeno è legato a due atomi di idrogeno. Ma il ghiaccio superionico, come mostrano le nuove misurazioni, non è così. Esiste in una specie di arto surreale, mezzo solido e mezzo liquido. Le singole molecole d'acqua si disintegrano. Gli atomi di ossigeno formano un reticolo cubico, ma gli atomi di idrogeno si riversano liberamente, fluendo come un liquido attraverso una cella di ossigeno rigida.
Gli esperti dicono che la scoperta del ghiaccio superionico giustifica le previsioni del computer che potrebbero aiutare i fisici dei materiali a creare sostanze future con proprietà individuali. E la scoperta di questo ghiaccio ha richiesto misurazioni ultraveloci e un controllo preciso della temperatura e della pressione, che sono diventati possibili solo nelle condizioni di metodi sperimentali migliorati.
La fisica Livia Bove del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica ritiene che, poiché le molecole d'acqua si rompono, questa non è esattamente una nuova fase dell'acqua. "È un nuovo stato della materia, il che è piuttosto impressionante."
Puzzle di ghiaccio
I fisici hanno cacciato il ghiaccio superionico per molti anni, da quando una primitiva simulazione al computer di Pierfranco Demontis nel 1988 aveva predetto che l'acqua avrebbe assunto questa strana forma quasi metallica se spinta fuori dalla mappa delle fasi di ghiaccio conosciute.
La modellazione ha dimostrato che sotto forte pressione e calore, le molecole d'acqua vengono distrutte. Gli atomi di ossigeno sono intrappolati in un reticolo cubico e "l'idrogeno inizia a saltare da una posizione all'altra del cristallo, più e più volte", dice Millo. Questi salti tra i siti reticolari sono così veloci che gli atomi di idrogeno - che ionizzano, diventando essenzialmente protoni caricati positivamente - si comportano come un liquido.
È stato suggerito che il ghiaccio superionico condurrà l'elettricità come un metallo e l'idrogeno agirà come elettroni. La presenza di questi atomi di idrogeno liberi aumenterà anche il disordine del ghiaccio, la sua entropia. A sua volta, l'aumento dell'entropia renderà il ghiaccio più stabile rispetto ad altri tipi di cristalli di ghiaccio, a seguito del quale il suo punto di fusione aumenterà.
È facile immaginare tutto questo, è difficile crederci. I primi modelli utilizzavano una fisica semplificata, esplorando la natura quantistica delle molecole reali. Le simulazioni successive hanno aggiunto più effetti quantistici, ma hanno comunque aggirato le effettive equazioni necessarie per descrivere l'interazione di più corpi quantistici, che è troppo difficile da calcolare. Invece, si sono basati su approssimazioni, il che ha aumentato la probabilità che l'intero scenario si rivelasse un miraggio nella simulazione. Gli esperimenti, nel frattempo, non sono riusciti a creare la pressione necessaria e generare abbastanza calore per fondere questa sostanza forte.
E quando tutti avevano già abbandonato questa impresa, gli scienziati planetari hanno espresso i propri sospetti che l'acqua potesse avere una fase superionica di ghiaccio. Nello stesso periodo in cui questa fase è stata prevista per la prima volta, la sonda Voyager 2 è entrata nel sistema solare esterno e ha scoperto qualcosa di strano nei campi magnetici dei giganti del ghiaccio Urano e Nettuno.
I campi attorno ad altri pianeti del sistema solare sembrano essere composti da poli nord e sud ben definiti, senza alcuna altra struttura particolare. Sembra che contengano magneti a barra allineati con gli assi di rotazione. I planetologi associano questo con le "dinamo": regioni interne dove i fluidi conduttivi salgono e ruotano mentre il pianeta ruota, creando enormi campi magnetici.
Al contrario, i campi magnetici emanati da Urano e Nettuno sembravano più ingombranti e complessi, con più di due poli. Inoltre non si sono allineati vicino alla rotazione dei loro pianeti. Un modo per farlo è confinare in qualche modo il fluido conduttivo, responsabile della dinamo, solo a un sottile guscio esterno del pianeta, invece di permettergli di penetrare nel nucleo.
Ma l'idea che questi pianeti potessero avere nuclei solidi che non potevano generare dinamo non sembrava realistica. Se perforassi questi giganti di ghiaccio, ti aspetteresti di incontrare prima uno strato di acqua ionica che scorrerà, condurrà correnti e parteciperà a una dinamo. Sembra che anche il materiale più profondo, anche a temperature più elevate, sarà liquido, ma questo è ingenuo. Gli scienziati planetari scherzano sul fatto che le viscere di Urano e Nettuno non possono essere affatto solide. Ma si è scoperto che possono.
Sabbiatura del ghiaccio
Coppari, Millo e il loro team hanno messo insieme i pezzi del puzzle.
In un precedente esperimento pubblicato nel febbraio 2018, i fisici hanno ottenuto prove circostanziali per l'esistenza del ghiaccio superionico. Hanno spremuto una goccia di acqua a temperatura ambiente tra le estremità appuntite di due diamanti tagliati. Quando la pressione salì a circa un gigapascal, che è circa 10 volte di più rispetto al fondo della Fossa delle Marianne, l'acqua si trasformò in un cristallo tetragonale, ghiaccio-VI. A 2 gigapascal, si è trasformato in Ice-VII, una forma cubica più densa che è trasparente ad occhio nudo, che gli scienziati hanno recentemente scoperto esistere anche in minuscole sacche all'interno di diamanti naturali.
Quindi, utilizzando un laser OMEGA presso il Laser Energy Lab, Millo ei suoi colleghi hanno mirato a Ice-VII, ancora inserito tra le incudini di diamante. Quando il laser ha colpito la superficie del diamante, ha vaporizzato il materiale verso l'alto, essenzialmente lanciando il diamante nella direzione opposta e inviando un'onda d'urto attraverso il ghiaccio. Il team di Millo ha scoperto che il ghiaccio super-compresso si è sciolto a circa 4.700 gradi Celsius, come previsto per il ghiaccio superionico, e che ha condotto l'elettricità attraverso il movimento di protoni carichi.
Dopo che le previsioni sulle proprietà di massa del ghiaccio superionico furono confermate, un nuovo studio di Coppari e Millo avrebbe dovuto confermarne la struttura. Se vuoi confermare la natura cristallina, hai bisogno della diffrazione dei raggi X.
Il loro nuovo esperimento ha mancato del tutto ice-VI e ice-VII. Invece, la squadra ha semplicemente fracassato l'acqua tra le incudini di diamante con colpi laser. Miliardesimi di secondo dopo, quando le onde d'urto penetrarono e l'acqua iniziò a cristallizzarsi in cubetti di ghiaccio nanometrici, gli scienziati aggiunsero altri 16 raggi laser per vaporizzare un sottile pezzo di ferro vicino al campione. Il plasma risultante ha inondato l'acqua cristallizzata con raggi X, che poi si sono diffratti dai cristalli di ghiaccio e hanno permesso al team di distinguere la loro struttura.
Gli atomi nell'acqua si sono riorganizzati nell'architettura a lungo prevista ma mai vista prima, Ice-XVIII: un reticolo cubico con atomi di ossigeno ad ogni angolo e al centro di ogni faccia.
E questo tipo di convalida incrociata riuscita delle simulazioni e del ghiaccio superionico reale suggerisce che il "sogno" definitivo dei ricercatori di fisica dei materiali potrebbe presto essere raggiunto. "Mi dici di quali proprietà materiali hai bisogno, andiamo su un computer e teoricamente capiamo quale materiale e quale struttura cristallina hai bisogno", dice Raymond Janlose, uno scienziato dell'Università della California, Berkeley.
La nuova analisi suggerisce anche che mentre il ghiaccio superionico conduce un po 'di elettricità, è sciolto ma solido. Si diffonderà gradualmente, ma non scorrerà. Pertanto, gli strati liquidi all'interno di Urano e Nettuno possono fermarsi a circa 8000 chilometri nell'entroterra, dove inizierà un enorme mantello di ghiaccio superionico instabile. Ciò limita la maggior parte dell'azione della dinamo a profondità minori, dati i campi insoliti dei pianeti.
Altri pianeti e lune nel sistema solare probabilmente non hanno le temperature interne e le pressioni che consentirebbero l'esistenza del ghiaccio superionico. Ma la moltitudine di esopianeti delle dimensioni dei giganti di ghiaccio suggerisce che questa sostanza - il ghiaccio superionico - sarà distribuita nei mondi di ghiaccio in tutta la galassia.
Ovviamente nessun pianeta conterrà acqua da solo. I giganti del ghiaccio nel nostro sistema solare sono anche mescolati con metano e ammoniaca. La misura in cui il comportamento superionico trova effettivamente posto in natura "dipenderà dal fatto che queste fasi esistano quando mescoliamo l'acqua con altri materiali", dicono gli scienziati. Tuttavia, deve esistere anche ammoniaca superionica.
Gli esperimenti continuano. Pensi che un giorno scopriremo cosa c'è al centro dei corpi più grandi del nostro sistema solare?
Ilya Khel
