I ricercatori di Stanford hanno catturato per la prima volta il congelamento dell'acqua, molecola per molecola, in uno strano, forma densa chiamata ghiaccio VII ("ghiaccio sette"), che si trova naturalmente in ambienti ultraterreni, come quando i corpi planetari ghiacciati si scontrano.

Oltre ad aiutare gli scienziati a comprendere meglio quei mondi remoti, i risultati - pubblicati online l'11 luglio in Lettere di revisione fisica - potrebbe rivelare come l'acqua e altre sostanze subiscono transizioni da liquidi a solidi. Imparare a manipolare quelle transizioni potrebbe aprire la strada un giorno alla progettazione di materiali con nuove proprietà esotiche.

"Questi esperimenti con l'acqua sono i primi del loro genere, permettendoci di assistere a una fondamentale transizione dal disordine all'ordine in una delle molecole più abbondanti nell'universo, ", ha affermato l'autrice principale dello studio Arianna Gleason, un borsista post-dottorato presso il Los Alamos National Laboratory e uno scienziato in visita presso l'Extreme Environments Laboratory della School of Earth di Stanford, Scienze energetiche e ambientali.

Gli scienziati hanno studiato a lungo come i materiali subiscono cambiamenti di fase tra gas, stato liquido e solido. I cambiamenti di fase possono avvenire rapidamente, però, e sulla piccola scala dei semplici atomi. La ricerca precedente ha faticato a catturare l'azione momento per momento delle transizioni di fase, e invece ha lavorato a ritroso da solidi stabili nel mettere insieme i passaggi molecolari compiuti dai liquidi precedenti.

"C'è stato un numero enorme di studi sul ghiaccio perché tutti vogliono capire il suo comportamento, ", ha affermato l'autore senior dello studio Wendy Mao, professore associato di scienze geologiche e ricercatore principale dello Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). "Ciò che dimostra il nostro nuovo studio, e che non è stato fatto prima, è la capacità di vedere la forma della struttura del ghiaccio in tempo reale."

Prendere il ghiaccio in atto

Quei tempi sono diventati realizzabili grazie alla Linac Coherent Light Source, il laser a raggi X più potente al mondo situato presso il vicino SLAC National Accelerator Laboratory. Là, il team scientifico ha trasmesso un intenso, laser di colore verde su un piccolo bersaglio contenente un campione di acqua liquida. Il laser vaporizzò istantaneamente strati di diamante su un lato del bersaglio, generando una forza simile a un razzo che comprimeva l'acqua a pressioni superiori a 50, 000 volte quella dell'atmosfera terrestre a livello del mare.

Mentre l'acqua si compattava, un raggio separato da uno strumento chiamato laser a elettroni liberi a raggi X è arrivato in una serie di impulsi luminosi solo un femtosecondo, o un quadrilionesimo di secondo, lungo. Simile ai flash della fotocamera, questo laser a raggi X stroboscopico ha scattato una serie di immagini che rivelano la progressione dei cambiamenti molecolari, stile libro a fogli mobili, mentre l'acqua pressurizzata si cristallizzava in ghiaccio VII. Il cambiamento di fase è durato solo 6 miliardesimi di secondo, o nanosecondi. Sorprendentemente, durante questo processo, le molecole d'acqua legate in forme di bastoncini, e non sfere come previsto dalla teoria.

La piattaforma sviluppata per questo studio, che combina l'alta pressione con immagini istantanee, potrebbe aiutare i ricercatori a sondare la miriade di modi in cui l'acqua si congela, a seconda della pressione e della temperatura. Nelle condizioni sulla superficie del nostro pianeta, l'acqua cristallizza in un solo modo, soprannominato ghiaccio Ih ("ice one-H") o semplicemente "ghiaccio esagonale, " sia nei ghiacciai che nelle vaschette dei cubetti di ghiaccio nel congelatore.

Scavando nei tipi di ghiaccio extraterrestri, compreso il ghiaccio VII, aiuterà gli scienziati a modellare ambienti remoti come gli impatti delle comete, le strutture interne di potenziale supporto vitale, lune piene d'acqua come l'Europa di Giove, e la dinamica del jumbo, roccioso, esopianeti oceanici chiamati super-Terre.

"Qualsiasi satellite ghiacciato o interno di un pianeta è intimamente connesso alla superficie dell'oggetto, " Ha detto Gleason. "Imparare a conoscere questi gelidi interni ci aiuterà a capire come si sono formati i mondi nel nostro sistema solare e come almeno uno di essi, per quanto ne sappiamo, è venuto ad avere tutte le caratteristiche necessarie per la vita."