L'acqua è vitale per la vita sulla Terra e la sua importanza semplicemente non può essere sopravvalutata:è anche profondamente radicato nella nostra coscienza che c'è qualcosa di estremamente speciale in essa. Ancora, dal punto di vista scientifico, molto resta sconosciuto sull'acqua e le sue numerose fasi solide, che mostrano una pletora di proprietà insolite e cosiddette anomalie che, mentre centrale per l'importanza chimica e biologica dell'acqua, sono spesso considerati controversi.

Questo ha ispirato i ricercatori dell'University College di Londra e dell'Università di Oxford a perseguire una migliore comprensione dell'acqua e del ghiaccio come materiali, che ha un impatto di vasta portata su molte aree di ricerca. In un articolo in Il Giornale di Fisica Chimica , riportano il loro lavoro sull'ordinamento dell'idrogeno della fase VI del ghiaccio disordinato rispetto alla sua controparte ordinata ghiaccio XV.

"Ogni volta che l'acqua liquida si congela, solo i suoi atomi di ossigeno finiscono effettivamente in posizioni fisse, " ha spiegato Christoph G. Salzmann, professore associato e ricercatore della Royal Society, Dipartimento di Chimica, University College London. "Gli atomi di idrogeno rimangono disordinati, quindi chiamiamo tali fasi del ghiaccio "disordine di idrogeno". Al raffreddamento, ci si aspetta che gli atomi di idrogeno diventino ordinati e si traducano in ghiacci ordinati a idrogeno. Ancora, questo processo è difficile perché i riorientamenti delle molecole d'acqua legate all'idrogeno sono altamente cooperativi".

Per aiutare a spiegare il concetto, ha usato un gioco di tessere come analogia.

"Passare dal disordine all'ordine è un lavoro difficile perché le tessere non possono muoversi indipendentemente, come accade nel ghiaccio, " ha detto. "Ma, alcuni anni fa, abbiamo scoperto che l'aggiunta di una piccola quantità di acido cloridrico aiuta notevolmente a raggiungere l'ordine dell'idrogeno a basse temperature".

L'acido cloridrico è l'"ingrediente magico" che accelera il riorientamento delle molecole d'acqua.

Ice VI e Ice XV sono entrambe fasi di ghiaccio ad alta pressione che si formano a circa 10, 000 atmosfere. "La struttura del ghiaccio XV è da anni oggetto di accese discussioni scientifiche, " Salzmann ha detto. "Una varietà di diversi e, in parte, modelli contrastanti sono stati suggeriti sia da dati sperimentali, incluso uno studio precedente del nostro gruppo, sia da studi computazionali".

Per questo lavoro, i ricercatori si sono rivolti alla diffrazione di neutroni per analizzare la struttura del ghiaccio XV e la sua formazione dal ghiaccio VI. "L'uso dei neutroni è importante perché i raggi X sono essenzialmente "ciechi" nei confronti degli atomi di idrogeno, " ha detto Salzmann. "Per risolvere completamente la struttura del ghiaccio XV, abbiamo davvero bisogno di sapere dove si trovano gli atomi di idrogeno:i neutroni sono essenziali".

Il lavoro del gruppo rappresenta un importante cambiamento nella comprensione di Ice XV che consolida gran parte del loro lavoro precedente. "Primo, abbiamo dimostrato utilizzando la diffrazione di neutroni presso l'ISIS Science and Technology Facilities Council nel Regno Unito che il ghiaccio si restringe in due direzioni, ma si espande nel terzo durante il passaggio dal ghiaccio VI al XV, " ha spiegato. "Utilizzando i calcoli della teoria del funzionale della densità, possiamo dimostrare che solo un particolare modello strutturale di Ice XV è coerente con questi cambiamenti".

per inciso, questa struttura è anche quella proposta dal gruppo dalla loro analisi approfondita dei dati sui neutroni.

"Questo accordo tra esperimento e calcoli è fantastico, in particolare, perché ci sono state opinioni contrastanti su Ice XV, " ha aggiunto. "Il volume complessivo del ghiaccio aumenta durante la transizione di fase, il che spiega infine perché la transizione si osserva più facilmente a pressione ambiente che a pressioni più elevate, comportamento che ci ha lasciati perplessi per molto tempo".

Un altro punto chiave, presentati nel loro articolo, è un nuovo programma per computer chiamato "RandomIce, " che ha prodotto la migliore descrizione strutturale di ghiaccio XV fino ad oggi. "Abbiamo presentato la preparazione del ghiaccio XV più ordinato fino ad oggi, ma non abbiamo raggiunto uno stato completamente ordinato, " ha detto Salzmann.

RandomIce consente di preparare modelli molecolari su larga scala, che il gruppo chiama "supercelle". Questi sono coerenti con la struttura media ottenuta dai dati di diffrazione, ed essenzialmente RandomIce sta "giocando" al gioco delle tessere descritto in precedenza fino a quando non viene raggiunto il miglior accordo con i dati di diffrazione. "Per fare questo, sono stati necessari più di 100 milioni di "mosse piastrelle", " ha sottolineato Salzmann.

Il lavoro del gruppo apre le porte allo sviluppo di modelli informatici dell'acqua più accurati che possono beneficiare di un'ampia gamma di discipline, dalla biologia e chimica alla geologia e alle scienze atmosferiche.

Ulteriore, è ora possibile "chiarire in quale forma si prevede che si verifichi il ghiaccio in determinate condizioni di pressione e temperatura all'interno di lune e pianeti ghiacciati, " ha detto Salzmann.

Qual è il futuro per i ricercatori?

"C'è ancora una domanda aperta sul perché non possiamo raggiungere l'ordine completo in Ice XV, " ha detto Salzmann. "Abbiamo già iniziato un nuovo lavoro sperimentale per esplorare come cambiano le proprietà del ghiaccio all'interno dei nanoconfinamenti e la presenza di specie chimiche, perché siamo interessati a comprendere il complesso comportamento del ghiaccio sulle comete e all'interno della nostra atmosfera".