Tra le tante scoperte sulla materia ad alta pressione che gli valsero il Premio Nobel nel 1946, lo scienziato Percy Bridgman ha scoperto cinque diverse forme cristalline di ghiaccio d'acqua, inaugurando più di 100 anni di ricerca sul comportamento del ghiaccio in condizioni estreme.

Una delle proprietà più intriganti dell'acqua è che può diventare superionica se riscaldata a diverse migliaia di gradi ad alta pressione, simili alle condizioni all'interno di pianeti giganti come Urano e Nettuno. Questo stato esotico dell'acqua è caratterizzato da ioni di idrogeno simili a liquidi che si muovono all'interno di un solido reticolo di ossigeno.

Poiché questo è stato previsto per la prima volta nel 1988, molti gruppi di ricerca del settore hanno confermato e perfezionato simulazioni numeriche, mentre altri hanno utilizzato tecniche di compressione statica per esplorare il diagramma di fase dell'acqua ad alta pressione. Mentre sono state osservate firme indirette, nessun gruppo di ricerca è stato in grado di identificare prove sperimentali per il ghiaccio d'acqua superionico, fino ad ora.

In un articolo pubblicato oggi da Fisica della natura , un gruppo di ricerca del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), l'Università della California, Berkeley e l'Università di Rochester forniscono prove sperimentali per la conduzione superionica nel ghiaccio d'acqua in condizioni interne planetarie, verificando la previsione di 30 anni.

Usando la compressione d'urto, il team ha identificato le firme termodinamiche che mostrano che il ghiaccio si scioglie vicino a 5000 Kelvin (K) a 200 gigapascal (GPa-2 milioni di volte l'atmosfera terrestre) - 4000 K più alto del punto di fusione a 0,5 megabar (Mbar) e quasi la temperatura superficiale del sole.

"I nostri esperimenti hanno verificato le due principali previsioni per il ghiaccio superionico:altissima conduttività protonica/ionica all'interno del solido e alto punto di fusione, " ha detto l'autore principale Marius Millot, un fisico presso LLNL. "Il nostro lavoro fornisce prove sperimentali per il ghiaccio superionico e mostra che queste previsioni non erano dovute ad artefatti nelle simulazioni, ma in realtà ha catturato lo straordinario comportamento dell'acqua in quelle condizioni. Ciò fornisce un'importante convalida delle simulazioni quantistiche all'avanguardia che utilizzano la dinamica molecolare basata sulla teoria della densità funzionale (DFT-MD)."

"Spinto dall'aumento delle risorse informatiche disponibili, Sento che abbiamo raggiunto un punto di svolta, " ha aggiunto Sebastien Hamel, Fisico LLNL e coautore dell'articolo. "Siamo ora in una fase in cui un numero sufficiente di queste simulazioni può essere eseguito per mappare grandi parti del diagramma di fase dei materiali in condizioni estreme con dettagli sufficienti per supportare efficacemente gli sforzi sperimentali".

Utilizzando cellule di incudine diamantate (DAC), il team ha applicato 2,5 GPa di pressione (25 mila atmosfere) per precomprimere l'acqua nel ghiaccio a temperatura ambiente VII, una forma cristallina cubica diversa dal ghiaccio esagonale "ice-cube", oltre ad essere il 60% più denso dell'acqua a pressione e temperatura ambiente. Si sono poi spostati al Laboratorio di Energetica Laser (LLE) dell'Università di Rochester per eseguire la compressione d'urto guidata dal laser delle celle precompresse. Hanno focalizzato fino a sei fasci intensi del laser Omega-60 di LLE, erogando un impulso di luce UV di 1 nanosecondo su uno dei diamanti. Questo ha lanciato forti onde d'urto di diverse centinaia di GPa nel campione, per comprimere e riscaldare contemporaneamente il ghiaccio d'acqua.

"Poiché abbiamo precompresso l'acqua, c'è meno shock-riscaldamento che se comprimessimo l'acqua liquida ambientale, permettendoci di accedere a stati molto più freddi ad alta pressione rispetto ai precedenti studi di compressione d'urto, in modo da poter raggiungere il dominio di stabilità previsto del ghiaccio superionico, " ha detto Millot.

Il team ha utilizzato la velocimetria ultraveloce interferometrica e la pirometria per caratterizzare le proprietà ottiche dell'acqua compressa sotto shock e determinarne le proprietà termodinamiche durante la breve durata di 10-20 nanosecondi dell'esperimento, prima che le onde di rilascio della pressione decomprimessero il campione e vaporizzassero i diamanti e l'acqua.

"Questi sono esperimenti molto impegnativi, quindi è stato davvero emozionante vedere che potevamo imparare così tanto dai dati, soprattutto perché abbiamo impiegato circa due anni a fare le misurazioni e altri due anni a sviluppare i metodi per analizzare i dati, " ha detto Millot.

Questo lavoro ha anche importanti implicazioni per la scienza planetaria perché Urano e Nettuno potrebbero contenere grandi quantità di ghiaccio d'acqua superionico. Gli scienziati planetari credono che questi pianeti giganti siano fatti principalmente di carbonio, idrogeno, miscela di ossigeno e azoto (C-H-O-N) che corrisponde al 65% di acqua in massa, mescolato con ammoniaca e metano.

Molti scienziati immaginano questi pianeti con interni convettivi completamente fluidi. Ora, la scoperta sperimentale del ghiaccio superionico dovrebbe dare più forza a una nuova immagine per questi oggetti con uno strato di fluido relativamente sottile e un grande "mantello" di ghiaccio superionico. Infatti, una tale struttura è stata proposta dieci anni fa, basata sulla simulazione della dinamo, per spiegare gli insoliti campi magnetici di questi pianeti. Ciò è particolarmente rilevante in quanto la NASA sta considerando di lanciare una sonda su Urano e/o Nettuno, sulle orme delle fortunate missioni Cassini e Giunone su Saturno e Giove.

"I campi magnetici forniscono informazioni cruciali sugli interni e sull'evoluzione dei pianeti, quindi è gratificante che i nostri esperimenti possano testare, e in effetti, supporto:l'idea della dinamo sottile che era stata proposta per spiegare i campi magnetici veramente strani di Urano e Nettuno, " ha detto Raymond Jeanloz, coautore dell'articolo e professore di Earth &Planetary Physics and Astronomy presso l'Università della California, Berkeley. È anche sbalorditivo che il ghiaccio d'acqua ghiacciata sia presente a migliaia di gradi all'interno di questi pianeti, ma questo è ciò che mostrano gli esperimenti."

"Il prossimo passo sarà determinare la struttura del reticolo di ossigeno, "ha detto Federica Coppari, Fisico LLNL e coautore dell'articolo. "La diffrazione dei raggi X viene ora eseguita di routine negli esperimenti di shock laser presso Omega e consentirà di determinare sperimentalmente la struttura cristallina dell'acqua superionica. Ciò sarebbe molto eccitante perché le simulazioni teoriche fanno fatica a prevedere la struttura effettiva del ghiaccio d'acqua superionico".

Guardando avanti, il team prevede di spingere a una precompressione più elevata ed estendere la tecnica ad altri materiali, come l'elio, sarebbe più rappresentativo di pianeti come Saturno e Giove.