Cos'è il ghiaccio superionico e perché è così importante

Il ghiaccio superionico è una nuova fase della materia che potrebbe essere importante anche per la ricerca astrofisica: ecco le ultime scoperte.
Cos'è il ghiaccio superionico e perché è così importante
SmartWorld team
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Un gruppo dell'Università di Chicago ha osservato più a lungo il cosiddetto "ghiaccio superionico", ovvero una nuova fase della materia. La recente ricerca è stata pubblicata su Nature Physics e potrebbe spiegare i campi magnetici di Urano (il settimo pianeta del sistema solare) e Nettuno (l'ottavo pianeta del sistema solare).

Questa fase dell'acqua era stata teorizzata nel XX secolo da SISSA "Abdus Salam" International Centre for Theoretical Physics di Trieste. La ricerca odierna consente agli scienziati di studiare questo ghiaccio che ha la proprietà di essere sia liquido che solido. Andiamo quindi ad analizzare tutte le novità: perché questo studio potrebbe essere così importante?

I “tipi” di ghiaccio

Prima di tutto, è fondamentale sottolineare che il ghiaccio esiste in diverse fasi che si differenziano per la struttura. Il ghiaccio e la neve con cui abbiamo comunemente a che fare (inclusi quindi i cubetti all'interno dei freezer) ha una struttura cristallina esagonale (definita "ghiaccio Ih", stabile fino ai -200 °C). Quasi tutto il ghiaccio presente nella biosfera è di questo tipo.

Una montagna innevata.

Una montagna innevata.

Fonte: Foto di Angie Agostino da Pixabay

Il ghiaccio Ic, prodotto a temperature tra −140 e −50 °C, si trova occasionalmente nell'atmosfera superiore. Si tratta di una variante "cristallina cubica metastabile". Sono circa 20 i tipi di ghiaccio prodotti in laboratorio, tra cui il ghiaccio II (con una forma cristallina romboedrica, si produce comprimendo il ghiaccio "normale" alla temperatura di 198 K a 300 MPa) e il ghiaccio XV (forma cristallina, si produce raffreddando l'acqua intorno a 130 K a 1 GPa). Il ghiaccio XII - descritto per la prima volta nel 1996 da C. Lobban, J. L. Finney e W. F. Kuhs; identificato nel 1998 - si ottiene raffreddando l'acqua a 260 K a una pressione di 0,55 gigapascal. 

Dunque, cambiando le condizioni di pressione è possibile ottenere altre fasi dell'acqua allo stato solido. Il ghiaccio che si trova nelle profondità di alcuni pianeti potrebbe essere differente rispetto a quello presente sulla Terra. Per studiare queste fasi non è necessario esplorare dei pianeti lontani: alcuni ricercatori sono riusciti a ricreare in laboratorio il ghiaccio superionico.

Cos’è il ghiaccio superionico?

Il ghiaccio superionico è una fase dell'acqua (in particolare la XVIII e XX) che esiste ad altissime temperature e pressioni. In cosa consiste?

  • Le molecole d'acqua si "rompono".
  • Gli ioni di ossigeno si cristallizzano, creando un reticolo uniformemente distanziato.
  • Gli ioni di idrogeno si muovono liberamente all'interno del reticolo di ossigeno.

Gli scienziati sono riusciti a ottenere questo materiale spremendo - con un laser - una goccia d'acqua a una pressione 3,5 milioni di volte maggiore di quella atmosferica. La goccia è stata poi riscaldata, raggiungendo una temperatura più elevata rispetto a quella della superficie del Sole. Gli esperti hanno esaminato la struttura del ghiaccio superionico per alcuni microsecondi (un microsecondo corrisponde a un milionesimo di secondo).

Vitali Prakapenka, l'autore dello studio, ha descritto il ghiaccio superionico come un cubo composto da un reticolo solido di atomi di ossigeno fermi in un "mare" di atomi di idrogeno che fluttuano. Questa fase dell'acqua è, allo stesso tempo, solida e liquida; ed è più scura rispetto al ghiaccio Ih.

Perché è importante?

Chiaramente, gli scienziati dovranno approfondire ancora molti aspetti: questo è solo il primo passo. Scoprire tutti i segreti di questo materiale consentirà agli scienziati di conoscere una quantità sempre maggiore di proprietà dell'acqua.

Il ghiaccio superionico potrebbe essere importante anche per la ricerca astrofisica (lo studio delle proprietà fisiche della materia celeste). Da decenni si ipotizza che il ghiaccio superionico sia sepolto nei "giganti ghiacciati", ovvero pianeti giganti composti principalmente da elementi come l'acqua, il metano e l'ammoniaca. Esistono due corpi celesti nel Sistema Solare che presentano queste condizioni estreme: Nettuno e Urano, che possiedono maggiori porzioni di ghiacci.

Considerando che l'idrogeno libero di muoversi può generare un campo magnetico, il ghiaccio superionico sarà probabilmente utile per studiare il campo vettoriale solenoidale di Nettuno e Urano (che, ricordiamo, è obliquo e decentrato). I due pianeti potrebbero avere una struttura a strati, incluso un mantello di ghiaccio superionico che spiegherebbe le anomalie del campo magnetico.

Fonte: Nature
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