A sinistra:le nuvole di ghiaccio nell'alta atmosfera diffondono la luce, a volte creando aloni intorno al sole. Per capire meglio come le nuvole interagiscono con la luce solare e l'atmosfera, i ricercatori hanno creato una forma speciale di ghiaccio in laboratorio. A destra:i cristalli di ghiaccio appena creati diffondono i raggi X in uno schema di cerchi concentrici con una particolare frequenza e intensità, indicando che le molecole d'acqua nei cristalli hanno una disposizione cubica quasi perfetta. Credito:foto tramite Pixabay, Immagine di diffrazione dei raggi X per gentile concessione della Ohio State University.
Non troverai cubetti di ghiaccio come questo nel tuo congelatore.
Un team internazionale di scienziati ha stabilito un nuovo record per la creazione di cristalli di ghiaccio che hanno una disposizione cubica quasi perfetta delle molecole d'acqua, una forma di ghiaccio che può esistere nelle nuvole più fredde ad alta quota ma è estremamente difficile da produrre sulla Terra.
La capacità di produrre e studiare il ghiaccio cubico in laboratorio potrebbe migliorare i modelli informatici di come le nuvole interagiscono con la luce solare e l'atmosfera:due chiavi per comprendere il cambiamento climatico, disse Barbara Wyslouzil, capo progetto e professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso la Ohio State University.
Potrebbe anche migliorare la nostra comprensione dell'acqua, una delle molecole più importanti per la vita sul nostro pianeta.
Visto al microscopio, normale acqua ghiacciata:tutto da stagni ghiacciati, nevicare, al ghiaccio che produciamo in casa, è fatto di cristalli con simmetria esagonale, Wyslouzil ha spiegato. Ma con solo un leggero cambiamento nel modo in cui le molecole d'acqua sono disposte nel ghiaccio, i cristalli possono assumere una forma cubica.
Finora, i ricercatori hanno utilizzato la presenza di nuvole di ghiaccio cubico freddo in alto sopra la superficie terrestre per spiegare gli interessanti aloni osservati intorno al sole, così come la presenza di cristalli di ghiaccio triangolari nell'atmosfera. Gli scienziati hanno lottato per decenni per produrre ghiaccio cubico in laboratorio, ma poiché la forma cubica è instabile, la cosa più vicina a cui qualcuno è arrivato è quello di creare cristalli ibridi che sono circa il 70 percento cubico, 30 percento esagonale.
I ricercatori hanno creato cristalli di ghiaccio con una disposizione cubica quasi perfetta di molecole d'acqua, per capire meglio come le nuvole di ghiaccio d'alta quota interagiscono con la luce solare e l'atmosfera. In questa immagine di diffrazione dei raggi X, i cristalli di ghiaccio hanno raggi X sparsi per creare anelli concentrici, che sono un'impronta digitale della disposizione molecolare all'interno dei cristalli. Credito:Ohio State University.
In un articolo pubblicato su Journal of Physical Chemistry Letters , Wyslouzil, Il ricercatore associato Andrew Amaya e i loro collaboratori descrivono come sono stati in grado di creare gocce d'acqua ghiacciata che erano quasi l'80% cubiche.
"Anche se l'80% potrebbe non sembrare 'quasi perfetto, ' la maggior parte dei ricercatori non crede più che il ghiaccio cubico puro al 100% sia ottenibile in laboratorio o in natura, " ha detto. "Quindi la domanda è, quanto cubico possiamo renderlo con la tecnologia attuale? Esperimenti precedenti e simulazioni al computer hanno osservato che il ghiaccio è di circa il 75% cubico, ma l'abbiamo superato".
Per fare il ghiaccio altamente cubico, i ricercatori hanno prelevato azoto e vapore acqueo attraverso ugelli a velocità supersoniche. Quando il gas si è espanso, si è raffreddata e ha formato goccioline centomila volte più piccole della goccia di pioggia media. Queste goccioline erano altamente super raffreddate, il che significa che erano liquidi ben al di sotto della solita temperatura di congelamento di 32 gradi Fahrenheit (0 gradi Celsius). Infatti, le goccioline sono rimaste liquide fino a circa -55 gradi Fahrenheit (circa -48 gradi Celsius) e poi si sono congelate in circa un milionesimo di secondo.
Per misurare la cubicità del ghiaccio formatosi nell'ugello, i ricercatori hanno eseguito esperimenti di diffrazione dei raggi X presso la Linac Coherent Light Source (LCLS) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory a Menlo Park, CIRCA. Là, hanno colpito le goccioline con il laser a raggi X ad alta intensità di LCLS e hanno registrato il modello di diffrazione su una telecamera a raggi X. Hanno visto anelli concentrici a lunghezze d'onda e intensità che indicavano che i cristalli erano circa l'80% cubico.
Le temperature estremamente basse e il congelamento rapido sono stati fondamentali per la formazione di ghiaccio cubico, Wyslouzil ha dichiarato:"Dal momento che le gocce d'acqua liquida nelle nuvole ad alta quota sono tipicamente superraffreddate, c'è una buona possibilità che si formi ghiaccio cubico lì".
Il motivo esatto per cui è stato possibile realizzare cristalli con circa l'80% di cubicità è attualmente sconosciuto. Ma, poi ancora, Anche il modo esatto in cui l'acqua si congela a livello molecolare è sconosciuto.
"Quando l'acqua si congela lentamente, possiamo pensare al ghiaccio come costruito da molecole d'acqua come si costruisce un muro di mattoni, un mattone sopra l'altro, "ha detto Claudiu Stan, ricercatore associato presso lo Stanford PULSE Institute presso SLAC e partner del progetto. "Ma il congelamento nelle nuvole ad alta quota avviene troppo velocemente perché ciò avvenga, invece, si potrebbe pensare che il congelamento parta da una pila disordinata di mattoni che si riorganizza frettolosamente per formare un muro di mattoni, che potrebbero contenere difetti o avere una disposizione insolita. Questo tipo di processo di fabbricazione del cristallo è così veloce e complesso che abbiamo bisogno di attrezzature sofisticate solo per iniziare a vedere cosa sta succedendo. La nostra ricerca è motivata dall'idea che in futuro potremo sviluppare esperimenti che ci permetteranno di vedere i cristalli mentre si formano".
