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Ghiaccio superionico ottenuto in laboratorio

BLOG: LA CHIMICA E LA SOCIETA' - 10 giugno, 2019 - 06:28

Rinaldo Cervellati

L’acqua solida in condizioni normali si presenta in forma amorfa o di cristalli esagonali chiamati ghiaccio Ih, forma cristallina tipica di quasi tutto il ghiaccio presente nella biosfera.Varietà di forme di ghiaccio esagonale

Quasi tutto perché in alta atmosfera si possono trovare piccole quantità della forma cristallina cubica, chiamata ghiaccio Ic, che però è metastabile. Il ghiaccio Ic, in cui la configurazione degli atomi di ossigeno è simile a quella degli atomi di carbonio nel reticolo cristallino del diamante, si può produrre in laboratorio a temperature fra -140 e -50°C, ma si trasforma nella forma Ih sopra -30°C.

In laboratorio sono state ottenute almeno altre 17 forme cristalline di ghiaccio lavorando a diverse temperature e pressioni, un elenco con le corrispondenti caratteristiche si può trovare nel riferimento [1].

Fin dal 1988 calcoli teorici avevano previsto che l’acqua, sottoposta a pressioni estreme superiori a 100´103 atmosfere e temperature oltre 2000 K, poteva diventare superionica con un “mare” di protoni (ioni di idrogeno) che diffondono attraverso il reticolo solido dell’ossigeno.

Tuttavia la conferma sperimentale si è avuta solo lo scorso febbraio con la pubblicazione di una ricerca effettuata da un gruppo di scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory, CA, coadiuvati dal Laboratory for Laser Energetics dell’Università di Rochester, NY, (M. Millot, F. Coppari et al., Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice., Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1114-6). Gli scienziati suppongono che questa particolare forma di ghiaccio possa giocare un ruolo chiave nella struttura di pianeti come Urano e Nettuno.

La notizia è stata riportata da Chemistry & Engineering newsletter nel numero del 16 maggio scorso [2], ma un’anticipazione è stata data dal notiziario on-line dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) che contiene anche un’ intervista a Federica Coppari, responsabile della ricerca insieme a Marius Millot [3].

Federica Coppari, italiana, dopo la laurea e un master in Fisica all’Università di Camerino ha ottenuto il dottorato in Fisica all’Université Pierre et Marie Curie di Parigi, poi si è trasferita negli USA, dove attualmente è ricercatrice nel Lawrence National Laboratory a Livermore.

Federica Coppari

Marius Millot, francese, dopo il dottorato in Fisica ottenuto nell’Université Paul Sabatier di Tolosa, si è trasferito negli USA dove attualmente è responsabile di ricerca al Lawrence National Laboratory.

Marius Millot

L’intervista a Coppari è stata effettuata da Lorenzo Pizzuti, dell’INAF.

Alla prima domanda su in cosa consiste il ghiaccio superionico e in quali condizioni si ottiene, Coppari ha detto:

La condizione di superionicità è un particolare stato della materia in cui gli ioni pesanti si presentano sotto forma solida, mentre quelli leggeri sono in stato liquido. Nel caso dell’acqua, l’ossigeno occupa delle posizioni ben definite dalla struttura cristallina, mentre gli idrogeni non occupano delle posizioni fisse, ma si muovono liberamente.

Struttura del ghiaccio superionico [3]

Nel lavoro che abbiamo pubblicato abbiamo visto che il ghiaccio superionico è stabile tra circa 100 e 200 miliardi di Pascal e tra 2000 e 4000 gradi Kelvin.

A proposito della domanda su come sono riusciti a ottenere il ghiaccio superionico, Coppari ha risposto:

Per ottenerlo abbiamo preso un campione di acqua (l’acqua che conosciamo, per intenderci), l’abbiamo compressa usando un particolare dispositivo chiamato cella a incudini di diamante[1] fino a formare il ghiaccio chiamato Ice VII: una struttura più densa del 60 per cento rispetto al ghiaccio che abbiamo in frigorifero. Siamo poi andati a fare i nostri esperimenti di compressione shock all’Omega Laser facility, nel Laboratory for Laser Energetics di Rochester. In pratica, abbiamo messo la cella a incudini di diamante in una camera apposita, poi abbiamo focalizzato 2000 Joule di energia laser su uno dei diamanti per formare un’onda d’urto che si propaga attraverso la cella, comprimendo e scaldando l’acqua ulteriormente».

Immagine dall’esperimento di compressione, ottenuta con il laser per studiare le proprietà dell’acqua superionica [3].

Pizzuti ha poi chiesto quali differenze ci sono fra il nostro normale giaccio di freezer e questa nuova forma superionica. Ecco la risposta:

Il ghiaccio che troviamo sulla Terra, stabile a basse temperature e a pressioni ambiente ha struttura cristallina esagonale. Cambiando le condizioni di pressione e temperatura il ghiaccio può diventare acqua (scaldando) o assumere una struttura cristallina diversa (comprimendo). Ecco perché all’interno di pianeti tipo Urano e Nettuno, nei quali ci aspettiamo pressioni di centinaia di miliardi di Pascal e migliaia di gradi Kelvin, l’acqua avrà una struttura e delle proprietà sicuramente diverse da quelle del ghiaccio che usiamo per fare il mojito! Probabilmente l’interno dei pianeti non sarà formato da acqua pura, ma da composti e misture di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Lo studio delle proprietà dell’acqua pura alle condizioni che ci aspettiamo all’interno di questi pianeti è comunque un primo passo verso una comprensione più approfondita dei meccanismi che hanno portato alla formazione di questi pianeti.

Infine, alla domanda sulle implicazioni e gli sviluppi futuri della ricerca, Coppari ha risposto:

Le implicazioni si possono identificare su diversi fronti: per quanto riguarda la fisica fondamentale, è la prima osservazione sperimentale che questo stato della materia, predetto sulla base di calcoli teorici più di 30 anni fa, esiste nell’acqua. Un’altra implicazione per le scienze riguarda il campo magnetico di questi pianeti, che è intimamente legato a come si sono formati ed evoluti. La visione di molti planetologi è che Urano e Nettuno siano caratterizzati da una struttura interna formata da fluidi convettivi. Altri hanno invece postulato una struttura a strati, con un sottile strato fluido e un mantello di ghiaccio superionico per spiegare le anomalie del campo magnetico di questi pianeti. La scoperta che il ghiaccio è in effetti superionico alle condizioni interne di Urano e Nettuno dà credito a questa teoria. Anche gli sviluppi futuri sono molteplici. Una domanda ovvia è: qual è l’effettiva struttura dell’ossigeno nell’acqua superionica? Con esperimenti di diffrazione X si potrà rispondere a tale quesito. Ulteriori sviluppi riguardano l’esplorazione del diagramma di fase dell’acqua a più alte pressioni per vedere fino a dove si estende il dominio di stabilità del ghiaccio superionico. Non tralasciamo, ovviamente, lo studio delle misture di C-H-O-N [carbonio-idrogeno-ossigeno-azoto] per avere un’idea più precisa di cosa succede all’interno di questi pianeti.

Robert Car, un fisico teorico che ha studiato il ghiaccio superionico all’Università di Princeton è impressionato dal controllo sperimentale che ha consentito al gruppo di ricerca non solo di raggiungere quelle temperature e pressioni, ma anche di effettuare misure di diffrattometria a raggi X. Marius Millot è intenzionato a continuare il progetto di ricerca per indagare il ghiaccio superionico a diverse pressioni e temperature e per effettuare studi simili sull’ammoniaca solida.

Riferimenti

[1] https://it.wikipedia.org/wiki/Cristalli_di_ghiaccio

[2] S. Lemonick, Scientists make superionic ice,

https://cen.acs.org/physical-chemistry/Scientists-make-superionic-ice/97/i20?utm_source=NonMember&utm_medium=Newsletter&utm_campaign=CEN

[3] L. Pizzuti, Quant’è strano un mojito su Urano, https://www.media.inaf.it/2018/02/09/ghiaccio-urano-nettuno-coppari/

[1] Dispositivo che permette di generare pressioni altissime e di studiare il comportamento di un materiale sottoposto a tali condizioni. Originariamente ideata per essere usata in apparati sperimentali in cui era prevista l’osservazione ottica di quanto avveniva nel campione, è stata successivamente resa polivalente per ogni tipo di studio in cui il campione sottoposto a pressione è riscaldato e irraggiato con vari tipi di radiazione elettromagnetica (raggi X o gamma o infrarossi, luce di sincrotrone ecc.). Il dispositivo è stato utilizzato anche per ottenere in laboratorio il primo composto dell’elio, Na2He, di cui parleremo in un prossimo post.

NdP: http://www.lescienze.it/news/2019/05/11/news/ghiaccio_nero_caldo-4403157/

New high-pressure phases of ice   P Demontis, R LeSar, ML Klein  Physical review letters 60 (22), 2284  (questo lavoro ha ricevuto finora solo 58 citazioni ma probabilmente è il più importante lavoro sull’acqua degli ultimi decenni).

 

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