Un team di teorici del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ha risolto un enigma di vecchia data nella nucleazione di una fase di ghiaccio ad alta pressione nota come ghiaccio VII, che si ritiene esista vicino al nucleo dei pianeti del "mondo oceanico" recentemente rilevati al di fuori del sistema solare, ed è stato recentemente scoperto che esiste all'interno del mantello terrestre. I risultati sono descritti in un articolo pubblicato oggi da Lettere di revisione fisica .

È stato scoperto che l'acqua si congela nel ghiaccio VII in esperimenti di laboratorio che utilizzano onde d'urto o rampe per comprimere l'acqua liquida a pressioni superiori a 100, 000 volte quella riscontrata in condizioni ambientali. Però, esperimenti condotti da diversi gruppi di ricerca hanno presentato modalità di nucleazione contraddittorie. In un caso, il ghiaccio nuclea in modo eterogeneo (si forma su una superficie materiale vicina) ma in altri studi è stato riscontrato che il ghiaccio nuclea in modo omogeneo (all'interno della massa del campione d'acqua) e con una velocità di cristallizzazione molto più rapida, con l'intero campione congelato in una scala temporale sorprendentemente breve di 10 nanosecondi.

"Le condizioni create dalla compressione dell'urto sono insolite in quanto producono un'enorme forza motrice per la nucleazione del sistema:ci sono considerazioni uniche che devono essere prese in considerazione per la solidificazione ad alta pressione, " ha detto Philip Myint, un membro dello staff della Divisione di Fisica presso LLNL e autore principale della ricerca, che è anche descritto come "Suggerimento dell'editore" nella rivista. "Il liquido viene allontanato dall'equilibrio così rapidamente che occorre più tempo prima che appaiano i grappoli, un processo noto come nucleazione transitoria."

Myint e coautori hanno scoperto che questo meccanismo di nucleazione transitoria ha un profondo effetto sulla scala temporale per la cristallizzazione, un'intuizione che altera il modo in cui gli esperimenti ad alta pressione potrebbero essere condotti in futuro.

La nucleazione di un cristallo inizia con la formazione di un gruppo di atomi, creando un'interfaccia che non è né liquida né solida. Nell'acqua gelata a pressione ambiente, c'è uno strato di calore che scorre davanti all'interfaccia liquido-solido. Il nuovo lavoro teorico sulla cinetica del ghiaccio VII dipinge un quadro completamente diverso, praticamente senza strato di calore davanti all'interfaccia.

"Questo estremo squilibrio di temperatura tra il liquido e il cristallo di ghiaccio VII in crescita deriva dal sottoraffreddamento estremamente elevato che porta il liquido a congelare. Di conseguenza, non è necessario il lento processo di rimozione del calore latente e la velocità dell'interfaccia è controllata solo da un ordinamento molecolare molto veloce all'interfaccia, " ha detto il co-autore Alex Chernov, un fisico LLNL e un'autorità nel campo della crescita dei cristalli. "Per di più, il processo di nucleazione in questo sistema è estremamente particolare rispetto a quanto generalmente noto sulla solidificazione, con un singolo nucleo critico contenente meno di 100 molecole d'acqua. Questo è un regime in cui vengono messi alla prova i limiti della nostra comprensione fisica".

Il modello teorico sviluppato dal team (che si basa sul loro lavoro precedente, pubblicato qui e qui), il che spiega più di una dozzina di esperimenti di congelamento ad alta pressione, può anche far luce su aree di applicazione in cui sono desiderabili tassi di nucleazione molto elevati, come nella sintesi dei materiali e nella tecnologia di archiviazione della memoria.

"La comprensione e il controllo delle correlazioni dinamiche trasversali che appaiono nella materia presa lontano dall'equilibrio è forse la frontiera della ricerca più importante e sconosciuta oggi, e il progresso in questo campo sarà la chiave per la corsa alle tecnologie del 21° secolo, " ha detto il co-autore Babak Sadigh, un fisico LLNL ed esperto di fenomeni di non equilibrio. "Sezionando la termodinamica e la cinetica delle interfacce, ci sono classi di problemi completamente nuove che possono essere studiate e, in definitiva, controllato. Un santo graal è progettare sistemi e macchine dinamici autoregolanti che possano utilizzare dinamiche dissipative lontane dall'equilibrio per eseguire compiti complessi, come nei sistemi biologici, il controllo della nucleazione è un passo in questo percorso."

Secondo la squadra, la svolta fondamentale è stata possibile solo dopo aver rifiutato gli approcci empirici che erano stati abbracciati dalla più ampia comunità della fisica degli shock fino a poco tempo fa.

"Da più di un decennio, la comunità della compressione d'urto non è riuscita a capire cosa sta succedendo nel congelamento per compressione dell'acqua e la sua cinetica osservata. Penso che una teoria basata sulla fisica su come il ghiaccio VII si solidifichi sia finalmente arrivata, almeno per il caso di nucleazione omogenea, " ha detto Jon Belof, capo progetto per la ricerca cinetica nello sviluppo di modelli fisici e ingegneristici nell'ambito del programma Advanced Simulation and Computing di LLNL e corrispondente autore dell'articolo.

Il futuro lavoro teorico si concentrerà sulla migliore comprensione dello scenario della nucleazione eterogenea, che il team ha scoperto svolge un ruolo più importante a pressioni più basse. "Questa è la vera sfida, " ha detto Belof. "La nucleazione è un evento raro e, in linea di principio, ci vuole solo un singolo sito eterogeneo per iniziare a farlo."