Una bizzarra forma d’acqua può esistere in tutto l’universo


La scoperta del ghiaccio superionico risolve potenzialmente il puzzle di cosa sono fatti i pianeti di ghiacciati giganti come Urano e Nettuno. Ora si pensa che abbiano involucri esterni gassosi e chimici misti, uno strato liquido di acqua ionizzata al di sotto di esso, uno strato solido di ghiaccio superionico che comprende la maggior parte dei loro interni e centri rocciosi.

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Recentemente presso il Laboratorio di Laser Energetica di Brighton, New York, uno dei laser più potenti del mondo ha fatto esplodere una goccia d’acqua, creando un’onda d’urto che ha portato la pressione dell’acqua a milioni di atmosfere e la sua temperatura a migliaia di gradi. I raggi X che hanno attraversato la gocciolina nella stessa frazione di secondo hanno offerto all’umanità il primo scorcio d’acqua in quelle condizioni estreme.

I raggi X hanno rivelato che l’acqua all’interno dell’onda d’urto non è diventata un liquido o gas surriscaldato. Paradossalmente, ma proprio come i fisici che osservavano gli schermi in una stanza adiacente si aspettavano, gli atomi si congelano solidi, formando ghiaccio cristallino.

“Si sente lo sparo”, ha detto Marius Millot del Lawrence Livermore National Laboratory in California, e “subito si vede che qualcosa di interessante sta accadendo”. Millot ha co-diretto l’esperimento con Federica Coppari, anche di Lawrence Livermore.

I risultati, pubblicati su Nature, confermano l’esistenza di “ghiaccio superiore”, una nuova fase dell’acqua con proprietà bizzarre. A differenza del ghiaccio familiare che si trova nel vostro congelatore o al polo nord, il ghiaccio superiore è nero e caldo. Un cubo di esso peserebbe quattro volte tanto quanto un cubo di ghiaccio normale. È stato previsto teoricamente per la prima volta più di 30 anni fa, e anche se non è mai stato visto fino ad ora, gli scienziati pensano che potrebbe essere tra le forme più abbondanti di acqua nell’universo.

In tutto il sistema solare, almeno, esiste più acqua  probabilmente come ghiaccio superionico – che riempie gli interni di Urano e Nettuno – che in qualsiasi altra forma, compresa la forma liquida che si trova negli oceani della Terra, Europa ed Encelado. La scoperta del ghiaccio superionico risolve potenzialmente rompicapi decennali sulla composizione di questi mondi “giganti di ghiaccio”.

Compresa la disposizione esagonale delle molecole d’acqua presenti nel ghiaccio comune, noto come “ice Ih ghiaccio”, gli scienziati avevano già scoperto 18 sconcertanti architetture di cristalli di ghiaccio. Dopo il ghiaccio I, che si presenta in due forme, Ih e Ic, le altre sono numerate da II a XVII in ordine di scoperta. (Sì, c’è un Ice IX, ma esiste solo in condizioni artificiose, a differenza della sostanza apocalittica fittizia del romanzo di Kurt Vonnegut Cat’s Cradle.)

Il ghiaccio superionico può ora reclamare il mantello del Ghiaccio XVIII. Si tratta di un nuovo cristallo, ma con una torsione. Tutti i ghiacci d’acqua precedentemente conosciuti sono fatti di molecole d’acqua intatte, ognuna con un atomo di ossigeno legato a due di idrogeno. Ma il ghiaccio superionico, confermano le nuove misurazioni, non è così. Esiste in una sorta di limbo surrealista, in parte solido, in parte liquido. Le singole molecole d’acqua si spezzano. Gli atomi di ossigeno formano un reticolo cubico, ma gli atomi di idrogeno cadono liberi, scorrendo come un liquido attraverso la rigida gabbia dell’ossigeno.

Gli esperti dicono che la scoperta del ghiaccio superionico giustifica le previsioni al computer, che potrebbero aiutare i fisici  a creare sostanze future con proprietà personalizzate. E trovare il ghiaccio ha richiesto misurazioni ultraveloci e un controllo fine della temperatura e della pressione, facendo avanzare le tecniche sperimentali. “Tutto questo non sarebbe stato possibile, ad esempio, cinque anni fa”, ha detto Christoph Salzmann all’University College London, che ha scoperto i ghiacci XIII, XIV e XV. “Avrà un impatto enorme, di sicuro”.

A seconda di chi si chiede, il ghiaccio superionico è o un’altra aggiunta all’acqua già ingombra di avatar o qualcosa di ancora più strano. Poiché le sue molecole d’acqua si spezzano, ha detto il fisico Livia Bove del Centro Nazionale Francese per la Ricerca Scientifica e dell’Università Pierre e Marie Curie, non si tratta di una fase completamente nuova dell’acqua. “È davvero un nuovo stato della materia”, ha detto, “che è piuttosto spettacolare”.

I fisici sono stati alla ricerca di ghiaccio superionico per anni, da quando una primitiva simulazione al computer guidata da Pierfranco Demontis nel 1988 aveva previsto che l’acqua avrebbe assunto questa strana forma, quasi metallica, se l’avresti spinto oltre la mappa delle fasi di ghiaccio conosciute.

Sotto pressione e calore estremi, le simulazioni suggerite, le molecole d’acqua si rompono. Con gli atomi di ossigeno bloccati in un reticolo cubico, “gli idrogeni ora iniziano a saltare da una posizione nel cristallo ad un’altra, e saltano di nuovo, e saltano di nuovo,” ha detto Millot. I salti tra i siti dei reticoli sono così veloci che gli atomi di idrogeno – che sono ionizzati, il che li rende essenzialmente protoni caricati positivamente – sembrano muoversi come un liquido.

Questo ha suggerito che il ghiaccio superionico avrebbe condotto l’elettricità, come un metallo, con gli idrogeni che giocano il solito ruolo degli elettroni. Avere questi atomi di idrogeno sciolti che sgorgano in giro aumenterebbe anche il disordine del ghiaccio, o entropia. A sua volta, l’aumento dell’entropia renderebbe questo ghiaccio molto più stabile di altri tipi di cristalli di ghiaccio, facendo salire verso l’alto il suo punto di fusione.

Ma tutto questo era facile da immaginare e difficile da credere. I primi modelli utilizzavano una fisica semplificata, facendosi strada attraverso la natura quantistica delle molecole reali. Le simulazioni successive si sono piegate in effetti quantistici, ma hanno comunque eluso le equazioni reali necessarie per descrivere l’interazione di più corpi quantistici, che sono troppo difficili da risolvere dal punto di vista computazionale. Invece, hanno fatto affidamento su approssimazioni, aumentando la possibilità che l’intero scenario possa essere solo un miraggio in una simulazione. Gli esperimenti, nel frattempo, non potevano fare le pressioni necessarie senza generare calore sufficiente a fondere anche questa sostanza resistente.

Mentre il problema bolliva, però, gli scienziati planetari svilupparono loro stessi i sospetti che l’acqua potesse avere una fase di ghiaccio superionico. Proprio nel periodo in cui la fase era stata prevista per la prima volta, la sonda Voyager 2 era entrata nel sistema solare esterno, scoprendo qualcosa di strano sui campi magnetici dei giganti di ghiaccio Urano e Nettuno.

I campi intorno agli altri pianeti del sistema solare sembrano essere costituiti da poli nord e sud fortemente definiti, senza molta altra struttura. E’ quasi come se avessero solo magneti a barra nei loro centri, allineati con i loro assi di rotazione. Gli scienziati planetari gessano tutto questo fino a “dinamos”: regioni interne dove i fluidi conduttivi si alzano e turbinano mentre il pianeta ruota, germogliando massicci campi magnetici.

Al contrario, i campi magnetici provenienti da Urano e Nettuno sembravano più complessi, con più di due poli. Inoltre, non si allineano così vicini alla rotazione dei loro pianeti. Un modo per produrre questo sarebbe quello di confinare in qualche modo il fluido conduttore responsabile della dinamo in un guscio esterno sottile del pianeta, invece di lasciarlo scendere nel nucleo.

Ma l’idea che questi pianeti potessero avere nuclei solidi, incapaci di generare dinamo, non sembrava realistica. Se si forano questi giganti di ghiaccio, ci si aspetterebbe di incontrare prima uno strato d’acqua ionica, che fluisce, conduce correnti e partecipa a una dinamo. Ingenuamente, sembra che anche un materiale ancora più profondo, anche a temperature più calde, sia un fluido. “Facevo sempre battute sul fatto che gli interni di Urano e Nettuno non sono mai stati così solidi”, ha detto Sabine Stanley della Johns Hopkins University. “Ma ora si scopre che potrebbero esserlo davvero”.

Ora, infine, Coppari, Millot e il loro team hanno riunito i pezzi del puzzle.

In un precedente esperimento, pubblicato lo scorso febbraio, i fisici hanno costruito prove indirette di ghiaccio superionico. Hanno spremuto una goccia d’acqua a temperatura ambiente tra le estremità appuntite di due diamanti tagliati. Nel momento in cui la pressione si alzò fino a circa un gigapascal, circa 10 volte quello in fondo alla fossa delle Marianne, l’acqua si era trasformata in un cristallo tetragonale chiamato ghiaccio VI. Con circa 2 gigapascal, si era trasformato in ghiaccio VII, una forma cubica più densa e trasparente ad occhio nudo che gli scienziati hanno recentemente scoperto che esiste anche in minuscole tasche all’interno di diamanti naturali.

Poi, utilizzando il laser OMEGA presso il Laboratorio di Laser Energetica, Millot e colleghi hanno preso di mira il ghiaccio VII, sempre tra incudini diamantate. Quando il laser ha colpito la superficie del diamante, ha vaporizzato il materiale verso l’alto, facendo rimbalzare il diamante nella direzione opposta e inviando un’onda d’urto attraverso il ghiaccio. Il team di Millot trovò il loro ghiaccio super-pressurizzato sciolto a circa 4.700 gradi Celsius, circa come previsto per il ghiaccio superiore, e che conduceva l’elettricità grazie al movimento di protoni carichi.

Con le previsioni sulle proprietà di massa del ghiaccio superionico, il nuovo studio condotto da Coppari e Millot ha fatto il passo successivo per confermarne la struttura. “Se si vuole davvero dimostrare che qualcosa è cristallino, è necessaria la diffrazione dei raggi X”, ha detto Salzmann.

Il loro nuovo esperimento ha saltato del tutto i ghiacci VI e VII. Invece, il team ha semplicemente distrutto l’acqua con esplosioni laser tra incudini di diamanti. Miliardesimi di secondo dopo, mentre le onde d’urto si increspavano e l’acqua iniziava a cristallizzarsi in cubetti di ghiaccio di dimensioni nanometriche, gli scienziati usavano altri 16 raggi laser per vaporizzare una sottile scheggia di ferro accanto al campione. Il plasma caldo risultante ha inondato l’acqua cristallizzante con raggi X, che poi si è differenziata dai cristalli di ghiaccio, permettendo al team di discernerne la struttura.

Gli atomi nell’acqua si erano riarrangiati 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. “È una svolta”, ha detto Coppari.

“Il fatto che l’esistenza di questa fase non è un artefatto di simulazioni dinamiche molecolari quantistiche, ma è reale, è molto confortante”, ha detto Bove.

E questo tipo di controllo incrociato di successo dietro le simulazioni e il ghiaccio superionico reale suggerisce che il “sogno” ultimo dei ricercatori di fisica dei materiali potrebbe essere presto a portata di mano. “Mi dite quali proprietà desiderate in un materiale, e noi andremo al computer e capiremo teoricamente di quale materiale e che tipo di struttura cristallina avreste bisogno”, ha detto Raymond Jeanloz, un membro del team di ricerca dell’Università della California, Berkeley. “La comunità in generale si sta avvicinando”.

Le nuove analisi suggeriscono anche che, sebbene il ghiaccio superionico conduca un po’ di elettricità, è un solido molliccio. Scorreva nel tempo, ma non si scioglieva veramente. All’interno di Urano e Nettuno, quindi, gli strati fluidi potrebbero fermarsi a circa 8.000 chilometri di profondità nel pianeta, dove inizia un enorme mantello di ghiaccio superionico pigro come quello prodotto dalla squadra di Millot. Questo limiterebbe la maggior parte dell’azione della dinamo a profondità più basse, tenendo conto dei campi insoliti dei pianeti.

Altri pianeti e lune nel sistema solare probabilmente non ospitano i giusti punti  interni di temperatura e pressione per consentire il ghiaccio superionico. Ma molti esopianeti giganti di ghiaccio potrebbero, suggerendo che la sostanza potrebbe essere comune all’interno di mondi ghiacciati in tutta la galassia.

Naturalmente, però, nessun pianeta reale contiene solo acqua. I giganti di ghiaccio del nostro sistema solare si mescolano anche in specie chimiche come il metano e l’ammoniaca. La misura in cui il comportamento superionico si verifica effettivamente in natura “dipenderà dal fatto che queste fasi esistano ancora quando mescoliamo l’acqua con altri materiali”, ha detto Stanley. Finora, questo non è chiaro, anche se altri ricercatori hanno sostenuto che dovrebbe esistere anche l’ammoniaca superionica.

Oltre ad estendere la loro ricerca ad altri materiali, il team spera anche di continuare a concentrarsi sulla strana, quasi paradossale dualità dei loro cristalli superionici. Catturare il reticolo di atomi di ossigeno “è chiaramente l’esperimento più impegnativo che abbia mai fatto”, ha detto Millot. Non hanno ancora visto il flusso spettrale e interstiziale di protoni attraverso il reticolo. “Tecnologicamente, non siamo ancora arrivati”, disse Coppari, “ma il campo sta crescendo molto velocemente”.

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