In questa resa artistica dell'esperimento di compressione laser, i laser ad alta potenza si concentrano sulla superficie di un diamante, generando una sequenza di onde d'urto che si propagano in tutto il gruppo campione (da sinistra a destra), comprimendo e riscaldando contemporaneamente il campione di acqua inizialmente liquido, costringendolo a congelare nella fase superionica del ghiaccio d'acqua. Credito:Millot, Coppari, Hamel, Krauss (LLNL)
Gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno utilizzato laser giganti per congelare l'acqua nella sua esotica fase superionica e registrare i modelli di diffrazione dei raggi X per identificare la sua struttura atomica per la prima volta, il tutto in pochi miliardesimi di secondo. I risultati sono riportati oggi in Natura .
Nel 1988, gli scienziati hanno predetto per la prima volta che l'acqua sarebbe passata a uno stato esotico della materia caratterizzato dalla coesistenza di un reticolo solido di ossigeno e idrogeno liquido simile al ghiaccio superionico, quando sottoposto alle pressioni e alle temperature estreme che esistono all'interno del gigante ricco d'acqua pianeti come Urano e Nettuno. Queste previsioni sono rimaste in vigore fino al 2018, quando un team guidato da scienziati di LLNL ha presentato la prima prova sperimentale per questo strano stato dell'acqua.
Ora, gli scienziati LLNL descrivono nuovi risultati. Utilizzando onde d'urto laser e diffrazione di raggi X in situ, osservano la nucleazione di un reticolo cristallino di ossigeno in pochi miliardesimi di secondo, rivelando per la prima volta la struttura microscopica del ghiaccio superionico.
I dati forniscono anche ulteriori informazioni sulla struttura interna dei pianeti giganti di ghiaccio.
"Volevamo determinare la struttura atomica dell'acqua superionica, " ha detto il fisico LLNL Federica Coppari, co-autore dell'articolo. "Ma date le condizioni estreme in cui si prevede che questo stato sfuggente della materia sia stabile, comprimere l'acqua a tali pressioni e temperature e contemporaneamente scattare istantanee della struttura atomica era un compito estremamente difficile, che richiedeva un design sperimentale innovativo."
I ricercatori hanno eseguito una serie di esperimenti presso l'Omega Laser Facility presso il Laboratorio per l'energia laser (LLE) dell'Università di Rochester. Hanno usato sei raggi laser giganti per generare una sequenza di onde d'urto di intensità progressivamente crescente per comprimere un sottile strato di acqua inizialmente liquida a pressioni estreme (100-400 gigapascal (GPa), o 1-4 milioni di volte la pressione atmosferica terrestre) e le temperature (3, 000-5, 000 gradi Fahrenheit).
"Abbiamo progettato gli esperimenti per comprimere l'acqua in modo che si congeli in ghiaccio solido, ma non era certo che i cristalli di ghiaccio si sarebbero effettivamente formati e cresciuti nei pochi miliardesimi di secondo in cui possiamo mantenere le condizioni di pressione-temperatura, ", ha affermato il fisico LLNL e co-autore principale Marius Millot.
In questa fotografia integrata nel tempo di un esperimento di diffrazione di raggi X, laser giganti si concentrano sul campione d'acqua, seduto sulla piastra anteriore del diagnostico utilizzato per registrare i modelli di diffrazione, per comprimerlo nella fase superionica. Ulteriori raggi laser generano un flash a raggi X da una lamina di ferro che consente ai ricercatori di scattare un'istantanea dello strato di acqua calda/compressa. La diagnostica monitora la cronologia degli impulsi laser e la luminosità della sorgente di raggi X emessa. Credito:Millot, Coppari, Kowaluk (LLNL)
Per documentare la cristallizzazione e identificare la struttura atomica, il team ha fatto saltare una minuscola lamina di ferro con 16 impulsi laser aggiuntivi per creare un plasma caldo, che ha generato un lampo di raggi X sincronizzato con precisione per illuminare il campione di acqua compressa una volta portato nel dominio di stabilità previsto del ghiaccio superionico.
"I modelli di diffrazione dei raggi X che abbiamo misurato sono una firma inequivocabile per i cristalli di ghiaccio densi che si formano durante la compressione dell'onda d'urto ultraveloce, dimostrando che la nucleazione di ghiaccio solido dall'acqua liquida è abbastanza veloce da essere osservata nella scala temporale di nanosecondi dell'esperimento, "Ha detto Coppari.
"Nel lavoro precedente potevamo misurare solo proprietà macroscopiche come l'energia interna e la temperatura, " ha aggiunto Millot. "Pertanto, abbiamo progettato un nuovo e diverso esperimento per documentare la struttura atomica. Trovare prove dirette dell'esistenza del reticolo cristallino dell'ossigeno porta l'ultimo pezzo mancante al puzzle riguardante l'esistenza del ghiaccio d'acqua superionico. Questo dà ulteriore forza alle prove dell'esistenza del ghiaccio superionico che abbiamo raccolto l'anno scorso".
Analizzando come i modelli di diffrazione dei raggi X variassero per i diversi esperimenti che sondavano condizioni di pressione e temperatura aumentate, il team ha identificato una transizione di fase verso una struttura atomica cubica a facce centrate (f.c.c.) precedentemente sconosciuta per il ghiaccio d'acqua denso.
"L'acqua è nota per avere molte diverse strutture cristalline conosciute come ghiaccio Ih, II, III, fino al XVII, "Coppari ha detto. "Quindi, proponiamo di chiamare il nuovo f.c.c. forma solida 'ghiaccio XVIII.' Le simulazioni al computer hanno proposto una serie di diverse possibili strutture cristalline per il ghiaccio superionico. Il nostro studio fornisce un test critico per i metodi numerici."
I dati del team hanno profonde implicazioni per la struttura interna dei pianeti giganti di ghiaccio. Poiché il ghiaccio superionico è in definitiva un solido, l'idea che questi pianeti abbiano uno strato fluido uniforme e rapidamente convettivo non regge più.
"Poiché il ghiaccio d'acqua nelle condizioni interne di Urano e Nettuno ha un reticolo cristallino, sosteniamo che il ghiaccio superionico non dovrebbe fluire come un liquido come il nucleo esterno fluido di ferro della Terra. Piuttosto, probabilmente è meglio immaginare che il ghiaccio superionico scorrerebbe in modo simile al mantello terrestre, che è fatto di roccia solida, tuttavia scorre e supporta moti convettivi su larga scala su scale temporali geologiche molto lunghe, "Millot ha detto. "Questo può influenzare notevolmente la nostra comprensione della struttura interna e l'evoluzione dei pianeti giganti ghiacciati, così come tutti i loro numerosi cugini extrasolari."
