Nel profondo della Terra esistono sacche d'acqua, ma il liquido che c'è non è come l'acqua in superficie.

Quando esposto a temperature e pressioni inimmaginabilmente elevate, l'acqua mostra ogni sorta di strane fasi e proprietà, dal rimanere liquido a temperature 10 volte superiori al punto di ebollizione all'essere allo stesso tempo liquido e solido.

Questo strano mondo non è ancora del tutto compreso, ma un team di scienziati dell'Università di Chicago ha eseguito simulazioni quantistiche per sviluppare un nuovo modello del comportamento dell'acqua a temperature e pressioni estremamente elevate. Le misure computazionali, pubblicato il 18 giugno nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , dovrebbe aiutare gli scienziati a comprendere il ruolo dell'acqua nella composizione del mantello e potenzialmente in altri pianeti.

"La fisica sottile a livello molecolare può avere un impatto sulle proprietà della materia nelle profondità dei pianeti, " ha detto Viktor Rozsa, uno studente laureato all'Università di Chicago e primo autore del documento. "Il modo in cui l'acqua reagisce e trasporta la carica su scala molecolare influisce sulla nostra comprensione di fenomeni che vanno dal movimento del magma, acqua e altri fluidi al campo magnetico dell'intero pianeta."

Nelle condizioni considerate nello studio, più di 40 volte più calde delle nostre condizioni quotidiane e 100, 000 volte maggiore della pressione atmosferica:l'acqua si squarcia regolarmente e riforma i propri legami chimici. Il risultato è che può interagire in modo molto diverso con altri minerali rispetto alla superficie terrestre.

Gli scienziati hanno cercato di definire esattamente come interagiscono questi atomi per decenni:è estremamente difficile da testare sperimentalmente, in quanto l'acqua può reagire con lo strumento stesso. "È sorprendente quanto poco sappiamo dell'acqua sotto la crosta, " ha detto l'autrice principale Giulia Galli, il Liew Family Professor di ingegneria molecolare e professore di chimica all'UChicago e uno scienziato senior all'Argonne National Laboratory.

Ma l'acqua in queste condizioni esiste in tutto il mantello - è possibile che ci sia più acqua distribuita all'interno della Terra di quanta ce ne sia negli oceani - e gli scienziati vorrebbero sapere esattamente come si comporta per capire il suo ruolo nella Terra e come si muove attraverso il mantello.

Il gruppo di Galli ha costruito un modello eseguendo simulazioni di meccanica quantistica di un piccolo insieme di molecole d'acqua a pressioni e temperature estremamente elevate, nell'intervallo di ciò che serve per sintetizzare un diamante.

Il loro modello, costruito con l'ausilio di simulazioni eseguite presso il Research Computing Center di UChicago, fornisce una spiegazione per alcune delle proprietà più misteriose dell'acqua a tali pressioni, come la connessione tra una conduttività stranamente alta e il modo in cui le sue molecole si dissociano e si riassociano.

Prevede e analizza anche una serie controversa di misurazioni chiamate firme spettroscopiche vibrazionali dell'acqua, o impronte digitali del movimento molecolare che delineano come le molecole interagiscono e si muovono.

Oltre a favorire la comprensione del nostro pianeta, Galli ha detto, "la capacità di fare il tipo di simulazioni eseguite nel nostro articolo potrebbe avere importanti conseguenze sulla modellazione degli esopianeti". Molti scienziati, compresi quelli di UChicago, stanno restringendo le condizioni per pianeti lontani che potrebbero avere le condizioni per creare la vita, e gran parte di questa ricerca ruota intorno all'acqua.

Galli è membro del gruppo di ricerca nel tema dell'acqua dell'Istituto di Ingegneria Molecolare, guidato da James Skinner, il Professore della Famiglia Corona di Ingegneria Molecolare. La squadra cerca di capire il fisico, manifestazioni chimiche e biologiche dell'acqua, e per sviluppare applicazioni da innovativi filtri di purificazione, a nuovi materiali per la desalinizzazione e la raccolta degli ioni di litio, a nuovi catalizzatori per la chimica e la disinfezione dell'acqua.

Mentre l'acqua è ovunque e molto importante per noi, Galli ha detto, è notoriamente difficile da simulare e studiare:"Questo è un passo nel lungo viaggio verso la comprensione".