Tre anni fa, i chimici dell'Università di Innsbruck hanno trovato prove dell'esistenza di una nuova varietà di ghiaccio. Fino ad allora, Si conoscevano 18 tipi di ghiaccio cristallino. Il team guidato da Thomas Loerting ora riporta in Comunicazioni sulla natura sulla delucidazione della struttura cristallina del ghiaccio XIX mediante diffrazione di neutroni.

Il ghiaccio è un materiale versatile. In fiocchi di neve o cubetti di ghiaccio, gli atomi di ossigeno sono disposti esagonale. Questa forma di ghiaccio è chiamata ghiaccio uno (ghiaccio I). "In senso stretto, però, questi non sono in realtà cristalli perfetti, ma sistemi disordinati in cui le molecole d'acqua sono orientate casualmente in diverse direzioni spaziali, " spiega Thomas Loerting dell'Istituto di chimica fisica dell'Università di Innsbruck, Austria. Compreso il ghiaccio io, Finora erano conosciute 18 forme cristalline di ghiaccio, che differiscono nella disposizione dei loro atomi. I diversi tipi di ghiaccio, noti come polimorfi, si formano a seconda della pressione e della temperatura e hanno proprietà molto diverse. Per esempio, i loro punti di fusione differiscono di diverse centinaia di gradi Celsius. "È paragonabile al diamante e alla grafite, entrambi realizzati in puro carbonio, " spiega il chimico.

Varietà ghiacciata

Quando il ghiaccio convenzionale si raffredda fortemente, gli atomi di idrogeno possono sistemarsi periodicamente in aggiunta agli atomi di ossigeno se l'esperimento è condotto correttamente. Sotto meno 200 gradi Celsius, questo può portare alla formazione del cosiddetto ghiaccio XI, in cui tutte le molecole d'acqua sono ordinate secondo uno schema specifico. Tali forme ordinate di ghiaccio differiscono dalle forme genitoriali disordinate, soprattutto nelle loro proprietà elettriche. Nel lavoro attuale, i chimici di Innsbruck si occupano della forma progenitrice ghiaccio VI, che si forma ad alta pressione, per esempio nel mantello terrestre. Come ghiaccio esagonale, questa forma di ghiaccio ad alta pressione non è un cristallo completamente ordinato.

Più di 10 anni fa, i ricercatori dell'Università di Innsbruck hanno prodotto una variante ordinata all'idrogeno di questo ghiaccio, che ha trovato la sua strada nei libri di testo come Ice XV. Modificando il processo produttivo, tre anni fa il team di Thomas Loerting è riuscito per la prima volta a creare una seconda forma ordinata per il ghiaccio VI. Per fare questo, gli scienziati hanno notevolmente rallentato il processo di raffreddamento e aumentato la pressione a circa 20 kbar. Ciò ha permesso loro di disporre gli atomi di idrogeno in un secondo modo nel reticolo di ossigeno e di produrre ghiaccio XIX. "Abbiamo trovato prove evidenti in quel momento che si tratta di una nuova variante ordinata, ma non siamo stati in grado di chiarire la struttura cristallina." Ora il suo team è riuscito a farlo utilizzando il gold standard per la determinazione della struttura:la diffrazione dei neutroni.

Struttura cristallina risolta

Per la chiarificazione della struttura cristallina, doveva essere superato un ostacolo tecnico essenziale. In un'indagine che utilizza la diffrazione di neutroni, è necessario sostituire l'idrogeno leggero in acqua con il deuterio ("idrogeno pesante").

"Sfortunatamente, questo cambia anche i tempi di ordinazione nel processo di produzione del ghiaccio, " dice Loerting. "Ma Ph.D. lo studente Tobias Gasser ha poi avuto l'idea cruciale di aggiungere una piccola percentuale di acqua normale all'acqua pesante, il che si è rivelato accelerare immensamente l'ordinamento." Con il ghiaccio ottenuto in questo modo, gli scienziati di Innsbruck sono stati finalmente in grado di misurare i dati dei neutroni sullo strumento HRPD ad alta risoluzione presso il Rutherford Appleton Laboratory in Inghilterra e risolvere faticosamente la struttura cristallina del ghiaccio XIX. Ciò ha richiesto di trovare la migliore struttura cristallina tra diverse migliaia di candidati dai dati misurati, proprio come cercare un ago in un pagliaio. Un gruppo di ricerca giapponese ha confermato il risultato di Innsbruck in un altro esperimento in diverse condizioni di pressione. Entrambi i documenti sono stati ora pubblicati congiuntamente in Comunicazioni sulla natura .

Sei forme di ghiaccio scoperte a Innsbruck

Mentre il ghiaccio e la neve convenzionali sono abbondanti sulla Terra, nessun'altra forma si trova sulla superficie del nostro pianeta, tranne che nei laboratori di ricerca. Però, le forme ad alta pressione ghiaccio VI e ghiaccio VII si trovano come inclusioni nei diamanti e sono state quindi aggiunte all'elenco dei minerali dall'International Mineralogical Association (IMA). Molte varietà di ghiaccio d'acqua si formano nella vastità dello spazio in condizioni speciali di pressione e temperatura. si trovano, Per esempio, su corpi celesti come la luna di Giove Ganimede, che è coperto da strati di diverse varietà di ghiaccio.

Ice XV e ice XIX rappresentano la prima coppia di fratelli nella fisica del ghiaccio in cui il reticolo dell'ossigeno è lo stesso, ma lo schema con cui sono ordinati gli atomi di idrogeno è diverso. "Ciò significa anche che per la prima volta sarà ora possibile realizzare la transizione tra due forme ordinate di ghiaccio negli esperimenti, " Thomas Loerting è lieto di riferire. Dagli anni '80, ricercatori dell'Università di Innsbruck, Austria, sono ora responsabili della scoperta di quattro forme di ghiaccio cristalline e due amorfe.

L'attuale lavoro di ricerca è stato svolto nell'ambito della piattaforma di ricerca sui materiali e le nanoscienze dell'Università di Innsbruck ed è stato sostenuto finanziariamente dall'Austrian Science Fund FWF.