Un team di chimici ha scoperto nuovi modi in cui l'acqua ghiacciata risponde ai cambiamenti di temperatura per produrre nuove formazioni. I suoi risultati hanno implicazioni per la ricerca sul clima e altri processi che coinvolgono la formazione del ghiaccio, dalla conservazione del cibo all'agricoltura.

"Il congelamento e lo scioglimento del ghiaccio sono tra gli eventi più comuni sulla Terra, " spiega Michael Ward, un professore di chimica alla New York University e uno dei coautori del documento, che appare sul giornale Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ). "Questi processi sono sorprendentemente complessi, però, e non sono ben comprese a causa del numero di variabili coinvolte. I nostri risultati rivelano alcune proprietà dinamiche insolite delle superfici del ghiaccio a contatto con l'acqua liquida quando le composizioni isotopiche del solido e del liquido differiscono".

Gli altri autori del documento includono Ran Drori, un assistente professore alla Yeshiva University; Miranda Holmes-Cerfon, un assistente professore al Courant Institute of Mathematical Sciences della NYU; Bart Kahr, un professore nel Dipartimento di Chimica della NYU; e Robert Kohn, un professore al Courant Institute della New York University.

Comprendere le dinamiche della cristallizzazione del ghiaccio, altrimenti nota come formazione del ghiaccio, è vitale non solo nella ricerca sul clima, ma anche in diversi settori:mitigazione dei danni da gelo in agricoltura ed edilizia, ottimizzare la conservazione degli alimenti, e comprenderne l'impatto sulle strade, piste, e rotaie.

Nel PNAS studio, i ricercatori si sono concentrati su molteplici forme di acqua, e, in particolare, acqua contenente diversi isotopi di idrogeno:le loro differenze nel conteggio dei neutroni producono distinzioni nella massa atomica. Queste forme includevano la luce, o "normale, " acqua (H2O) e "acqua pesante" (D2O), con deuterio (D) che aumenta la massa d'acqua rispetto all'acqua normale.

È noto da tempo che diversi isotopi conferiscono proprietà diverse a questi diversi tipi di acqua, in particolare punti di fusione diversi. H2O inizia a fondere a zero gradi centigradi (32 gradi Fahrenheit) mentre D2O lo fa a 3,8 gradi centigradi (quasi 39 gradi Fahrenheit).

La variazione del punto di fusione è significativa. Per esempio, Le carote di ghiaccio dell'Antartico o della Groenlandia sono composte sia da H2O che da D2O. Di conseguenza, erano congelati, e sciogliersi, a temperature diverse. Questa proprietà viene utilizzata per stimare le temperature globali negli ultimi millenni.

Ciò solleva la domanda su cui si sono concentrati i ricercatori:cosa succede quando interagiscono tipi di acqua con diversi punti di congelamento e fusione?

Qui, gli scienziati hanno scoperto che, in condizioni in cui la temperatura era controllata con precisione, la superficie di un cristallo D2O a contatto con H2O liquido assumeva un aspetto smerlato, con queste caratteristiche "ondeggianti" che oscillano per ore.

Sebbene il team della NYU non sia stato in grado di simulare tutti gli aspetti delle caratteristiche oscillanti, hanno ipotizzato che riflettano una serie di fenomeni:un complesso gioco di scambio di acqua leggera per acqua pesante nel cristallo, leggere differenze nella temperatura di fusione lungo l'interfaccia smerlata, e trasferimento di calore lungo la superficie ondulata del ghiaccio smerlato.

"Se questi processi possono essere completamente svelati, può far progredire la nostra comprensione delle proprietà del ghiaccio che sono importanti in numerose arene, compresa la ricerca sul clima, danni da gelo in agricoltura e nell'edilizia, dinamica dei ghiacciai, e conservazione degli alimenti, "osserva Ward.