Le complesse proprietà dell'acqua e del ghiaccio non sono ben comprese, ma un team dell'UCL e dell'ISIS Neutron e Muon Source ha rivelato nuove informazioni su una fase del ghiaccio chiamata ghiaccio II.

Dato che l'acqua costituisce il 60% del nostro corpo ed è una delle molecole più abbondanti nell'universo, non c'è da meravigliarsi se l'acqua è conosciuta come la "matrice della vita".

Esistono molte forme diverse di ghiaccio, tutte molto diverse dal ghiaccio che troveresti nel tuo congelatore. Il ghiaccio assume molte forme diverse a seconda della pressione alla quale si è sviluppato.

Mentre l'acqua congela le sue molecole si riorganizzano, e l'alta pressione fa sì che le molecole si riorganizzino in modi diversi da come farebbero normalmente. Le molte fasi distinte del ghiaccio possono essere riassunte utilizzando un diagramma di fase, che mostra gli stati fisici preferiti della materia a diverse temperature e pressioni.

I ricercatori dell'UCL e dell'ISIS Neutron and Muon Source del Science and Technology Facilities Council (STFC) hanno utilizzato la diffrazione di neutroni ad alta pressione per studiare l'impatto delle impurità del fluoruro di ammonio sul diagramma di fase dell'acqua.

I loro risultati sorprendenti, pubblicato in Fisica della natura , trovato l'aggiunta di questa impurità ha causato una particolare fase di ghiaccio, noto come ghiaccio II, scomparire completamente dal diagramma di fase dell'acqua mentre le altre fasi non sono state influenzate.

Le diverse fasi del ghiaccio possono essere raggruppate in due tipi:fasi ordinate per idrogeno e fasi disordinate per idrogeno. In queste diverse fasi l'orientamento delle molecole d'acqua è saldamente definito o disordinato.

Il ghiaccio II è una fase di ghiaccio ordinata all'idrogeno che si forma in condizioni di alta pressione. A differenza di altre fasi del ghiaccio, ghiaccio II rimane termodinamicamente stabile e idrogeno ordinato fino a temperature molto elevate e l'origine di questo risultato anomalo non è ben compresa.

Usando la diffrazione di neutroni, il gruppo ha rivelato le proprietà molto speciali del ghiaccio II. Il diffrattometro di neutroni ad alta pressione PEARL presso ISIS Neutron and Muon Source è ottimizzato per studi di diffrazione fino a 20 GPa, anche se qui i campioni sono stati esposti solo a 0,3 GPa. Anche se questo è ben al di sotto della piena capacità dello strumento, 0,3 GPa è ancora equivalente a 3 tonnellate che premono su una singola unghia.

Per le misurazioni della diffrazione dei neutroni campioni di ghiaccio macinato sono stati posti all'interno di una lattina di titanio-zirconio, che i neutroni penetrano facilmente. L'estrema pressione su PEARL è stata generata utilizzando un compressore di gas riempito con gas argon. PEARL consente di effettuare misurazioni della diffrazione di neutroni a pressione in situ, che erano essenziali per questa ricerca.

"Senza la diffrazione di neutroni in situ non avremmo potuto eseguire questo studio. Era fondamentale dimostrare che il ghiaccio II è scomparso nella regione del diagramma di fase dove normalmente esisterebbe, " ha affermato il Dr. Christoph G. Salzmann (UCL Chemistry).

Oltre a raccogliere dati sulla diffrazione di neutroni ad alta pressione, i ricercatori hanno anche utilizzato metodi computazionali per ottenere informazioni molto importanti. Hanno scoperto che drogare il ghiaccio II con piccole quantità di fluoruro di ammonio ha causato la scomparsa del tutto di questa particolare fase del ghiaccio, mentre le fasi concorrenti del ghiaccio non sono state influenzate. Questa osservazione ha permesso ai ricercatori di dedurre importanti informazioni sulle proprietà altamente insolite del ghiaccio II.

"A differenza delle altre fasi, ghiaccio II è topologicamente vincolo. Ciò significa che le molecole d'acqua nel ghiaccio II interagiscono tra loro su distanze molto lunghe. In un senso, qualunque cosa accada a una molecola d'acqua in un cristallo di ghiaccio II, l'effetto è "sentito" da tutte le altre molecole. Nel nostro studio, il ghiaccio II subisce un disturbo da parte del fluoruro di ammonio che destabilizza tutto il ghiaccio II e lo fa scomparire, " ha aggiunto il dottor Salzmann.

La conoscenza di questo effetto sarà importante per qualsiasi studio in cui il ghiaccio coesiste con altri materiali in natura, per esempio sulle lune ghiacciate. Inoltre, le proprietà speciali del ghiaccio II forniscono una nuova spiegazione sul perché il diagramma di fase dell'acqua mostri così tante anomalie, compresa l'acqua liquida. Questi risultati possono anche aprire studi su nuove fasi del ghiaccio. Se i droganti hanno la capacità di sopprimere alcune fasi del ghiaccio, ciò suggerisce che potrebbero anche essere in grado di indurre la formazione di nuove fasi del ghiaccio.

Interesse per la "matrice della vita, " e le sue numerose fasi di ghiaccio, di certo non accenna a vacillare. Con la diffrazione di neutroni ad alta pressione che consente lo studio di ambienti a pressioni estreme in un modo che nessun'altra tecnica può, è probabile che vedremo la squadra tornare alla struttura alla ricerca di nuove fasi di ghiaccio.