Un nuovo studio sfida l'idea che la struttura atomica del vetro sia indistinguibile da quella di un liquido, almeno per un certo tipo di vetro chiamato "ghiaccio amorfo" che si forma quando l'acqua viene raffreddata a temperature molto basse.

Nello studio, i ricercatori della Princeton University e della City University di New York hanno utilizzato simulazioni al computer per dimostrare che le molecole d'acqua nel ghiaccio amorfo sono disposte in un ordine precedentemente non rilevato, che il liquido originale non conteneva. Il ritrovamento, pubblicato il 29 settembre sulla rivista Lettere di revisione fisica , può aiutare a spiegare la curiosità dell'acqua, proprietà vivificanti. Sfida anche la definizione stessa di cosa significhi essere un bicchiere.

Gli occhiali sono in genere realizzati raffreddando rapidamente un liquido, e, secondo l'attuale comprensione, un bicchiere eredita l'ordine che era presente nel liquido originale. Nel caso del ghiaccio amorfo, però, mentre l'acqua liquida si raffredda, emerge una nuova e ordinata disposizione delle molecole.

"Secondo i nostri risultati, questi tipi di vetro non sono semplicemente liquidi congelati:questa immagine non regge più, " disse Fausto Martelli, ricercatore associato presso il Dipartimento di Chimica di Princeton. "Stiamo essenzialmente dicendo che un'idea in cui gli scienziati hanno creduto per molti anni è parzialmente sbagliata".

Prima di questo studio, i ricercatori sapevano che il rapido congelamento dell'acqua, che può verificarsi alle temperature estremamente fredde che si trovano nello spazio esterno, porta alla formazione di un materiale molto diverso dal ghiaccio dell'esperienza quotidiana. Questo materiale, noto come ghiaccio amorfo, manca della struttura cristallina altamente ordinata del ghiaccio regolare, portando gli scienziati a classificarlo come un bicchiere, un liquido il cui movimento è rallentato a un ritmo glaciale. I ghiacci amorfi non sono comuni sulla Terra, ma sono la forma d'acqua più abbondante nell'universo.

Il nuovo studio ha scoperto che le molecole in questi ghiacci amorfi si dispongono in uno schema interno precedentemente non rilevato. Questo modello, nota come iperuniformità disordinata, è definito come ordine su grandi distanze spaziali anche quando non c'è ordine su brevi distanze. I materiali iperuniformi disordinati cadono da qualche parte tra un cristallo, che è altamente organizzato sulle lunghe distanze, e un liquido, che viene ordinato solo su brevi distanze.

"L'esistenza di queste correlazioni strutturali su larga scala non è stata pienamente apprezzata, ed è proprio quello che volevamo affrontare in questo studio, " ha detto il coautore dello studio Salvatore Torquato, un professore di chimica che, con lo scienziato senior di Princeton Frank Stillinger, identificata per la prima volta l'iperuniformità più di un decennio fa ( Revisione fisica E , 2003). "Le informazioni presenti in questi sistemi sono piuttosto sorprendenti, e porta a intuizioni completamente nuove sui materiali, " ha detto. Lui e i suoi colleghi da allora hanno identificato l'iperuniformità in un certo numero di posti, compresa la disposizione delle cellule nell'occhio di un pollo ( Revisione fisica E , 2014).

Oltre a Martelli e Torquato, gli autori dello studio includevano Roberto Car, Ralph W. Dornte Professore di Chimica di Princeton, e Nicola Giovambattista, professore associato al Brooklyn College-The City University di New York. Torquato e Car sono associati al Princeton Institute for the Science and Technology of Materials.

Per esplorare la struttura interna dei ghiacci amorfi, Martelli ha utilizzato un modello al computer che traccia il comportamento di oltre 8 persone, 000 molecole d'acqua per simulare cosa accadrebbe se raffreddasse l'acqua fino a circa 80 gradi Kelvin (circa -316 gradi Fahrenheit). A questa temperatura, le molecole d'acqua sono così prive di calore che non possono più spostarsi da un luogo all'altro, né ruotare in posizione. A questa temperatura e al di sotto, i ricercatori hanno osservato il modello iperuniforme emergere nei dati della simulazione al computer.

"Non siamo abituati a cercare l'ordine su scale così grandi, " disse Martelli. "Tuttavia, la matematica ci permette di far luce su schemi che i nostri occhi non sono in grado di vedere."

Le simulazioni hanno richiesto mesi di tempo su computer di ricerca ad alte prestazioni, compresi i cluster TIGRESS della Princeton University attraverso il Princeton Institute for Computational Science and Engineering.

La simulazione ha permesso ai ricercatori di porre domande sulla natura dell'acqua, che ha molti comportamenti anomali che lo rendono particolarmente adatto a sostenere la vita. Una di queste anomalie è che la forma cristallina del ghiaccio è meno densa dell'acqua liquida, permettendo al ghiaccio di galleggiare, che a sua volta permette alla vita di esistere sotto il ghiaccio nei laghi e negli oceani.

Una possibile spiegazione per le anomalie dell'acqua è che, a temperature molto fredde, l'acqua può presentarsi in due fasi liquide, una più densa dell'altra, piuttosto che nell'unico stato liquido che troviamo familiare. Il rilevamento della transizione dell'acqua tra le forme ad alta densità e a bassa densità si è dimostrato elusivo a causa di sfide tecniche.

Il presente studio fornisce un supporto indiretto per l'esistenza delle due forme, almeno nelle simulazioni al computer. Giovambattista ha simulato l'applicazione dell'alta pressione al modello e ha osservato che la pressione convertiva la forma a bassa densità del ghiaccio amorfo in una forma ad alta densità. La transizione tra le due forme di ghiaccio amorfo è coerente con l'esistenza di due forme liquide di acqua.

Comprendere l'ordine a lungo raggio presente nei materiali amorfi è un'area di studio attiva perché sfruttare l'iperuniformità potrebbe portare ad applicazioni pratiche. L'iperuniformità presente nel silicio amorfo potrebbe consentire nuovi modi per regolare le proprietà elettroniche. La capacità di manipolare l'ordine a lungo raggio iperuniforme di un materiale può aiutare gli scienziati a costruire ceramiche più resistenti o occhiali più duraturi.

I ghiacci amorfi possono essere prodotti in ambienti di laboratorio, Martelli ha detto e potrebbe essere possibile trovare prove di iperuniformità in questi esperimenti.