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    Aeroices:il ghiaccio a densità ultrabassa appena scoperto

    Sono illustrati il ​​ghiaccio zeolitico ITT (a sinistra) e l'aeroice 4xFAU (a destra). La loro struttura può essere considerata come una combinazione di un paio di elementi costitutivi poliedrici. In scala molecolare, ogni faccia poligonale dei poliedri è costituita da molecole d'acqua (in basso a sinistra). Le linee gialle sono legami idrogeno. Credito:Masakazu Matsumoto/CC BY 2.0

    L'acqua ha molte fasi di ghiaccio che si formano in diverse condizioni di pressione e temperatura. Gli effetti della pressione positiva sono stati ampiamente esplorati, con i risultati alquanto prevedibili:all'aumentare della pressione, così fa la densità del ghiaccio.

    Si sa molto meno, però, sugli effetti dell'estrema pressione negativa sulle molecole d'acqua. Esplorare una regione significativa di pressione negativa attraverso simulazioni di dinamica molecolare, i ricercatori hanno ora teoricamente scoperto una nuova famiglia di fasi del ghiaccio. Chiamato aeroices, questi ghiacci hanno la densità più bassa di tutti i cristalli di ghiaccio conosciuti. I ricercatori, dell'Università di Okayama in Giappone, riferire i loro risultati questa settimana in Il Giornale di Fisica Chimica .

    "La nostra ricerca, che esamina per la prima volta un'intera regione a pressione negativa, fornisce un trampolino di lancio significativo nell'esplorazione di questo vasto e intricato territorio sul diagramma di fase, " disse Masakazu Matsumoto, professore associato presso l'Istituto di ricerca per la scienza interdisciplinare dell'Università di Okayama e coautore del documento. "Si è scoperto che anche i ghiacci con una densità inferiore rispetto al ghiaccio normale sono molteplici [di molti tipi]".

    Si prevede che la scoperta accelererà la comprensione delle proprietà fondamentali e del comportamento dell'acqua nei nanotubi e in altri nanopori, così come nelle biomolecole.

    Diciassette fasi di ghiaccio sono state trovate sperimentalmente, ciascuno numerato nell'ordine della sua scoperta. Solo due ghiacci hanno una densità inferiore rispetto al ghiaccio normale.

    Nel 2014, un gruppo di ricerca ha scoperto una fase di ghiaccio che si forma sotto pressione negativa:il ghiaccio XVI. Le molecole del ghiaccio formano una struttura zeolitica, una gabbia cristallina 3-D, in cui le molecole o gli atomi ospiti sono intrappolati all'interno. Le molecole ospiti (particelle di neon in questo caso) sono state rimosse, risultando stabile, ghiaccio a densità ultrabassa ad alte pressioni negative. Utilizzando una tecnica simile, un altro gruppo di ricercatori ha scoperto il ghiaccio XVII nel 2016.

    I ricercatori dell'Università di Okayama hanno mappato tutte le possibili fasi del ghiaccio che potrebbero ancora essere lasciate da esplorare nella regione a pressione negativa. Sapendo che la struttura della silice (SiO2) e del ghiaccio sono comuni, hanno recuperato 200 zeoliti di silice dal database delle zeoliti, che è amministrato attraverso l'International Zeolite Association. Complessivamente sono state valutate più di 300 strutture.

    I ricercatori hanno riorganizzato gli atomi nella struttura di SiO2, rimuovendo i due atomi di ossigeno e sostituendo l'atomo di silicio in ogni molecola con un atomo di ossigeno. Quindi, gli atomi di idrogeno sono stati aggiunti in modo che la struttura obbedisse alla regola del ghiaccio.

    Nell'intervallo di densità che è solo circa la metà di quello dell'acqua liquida (~0,5 g/cm^3), i ricercatori hanno dimostrato che la fase del ghiaccio appena scoperta è più stabile di qualsiasi ghiaccio zeolitico studiato finora. I ricercatori hanno simulato strutture di ghiaccio ancora meno dense, tra 0 e 0,5 grammi per centimetro cubo, aggiungendo blocchi di costruzione poliedrici alle strutture zeolitiche per rendere la struttura più sparsa e soddisfare la regola strutturale per il ghiaccio.

    "Queste nuove strutture sono le aeroices, " disse Matsumoto, "e possono essere più stabili di qualsiasi ghiaccio zeolitico in determinate condizioni termodinamiche sotto pressione negativa".

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