Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory che studiano gli stati super-freddi dell'acqua hanno scoperto un percorso verso la formazione inaspettata di densi, fasi cristalline di ghiaccio che si pensava esistessero oltre i limiti della Terra. Le loro scoperte, riportato in Natura, sfidare le teorie accettate e potrebbe portare a una migliore comprensione del ghiaccio trovato su altri pianeti, lune e altrove nello spazio. Credito:Jill Hemman/Laboratorio nazionale di Oak Ridge, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Attraverso un esperimento progettato per creare uno stato d'acqua super-freddo, gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno usato la diffusione di neutroni per scoprire un percorso verso la formazione inaspettata di densi, fasi cristalline di ghiaccio che si pensava esistessero oltre i limiti della Terra.
L'osservazione di queste particolari fasi di ghiaccio cristallino, noto come ghiaccio IX, ghiaccio XV e ghiaccio VIII, sfida le teorie accettate sull'acqua super-raffreddata e amorfa, o non cristallino, Ghiaccio. I risultati dei ricercatori, riportato sul giornale Natura , porterà anche a una migliore comprensione di base del ghiaccio e delle sue varie fasi che si trovano su altri pianeti e lune e altrove nello spazio.
"L'idrogeno e l'ossigeno sono tra gli elementi più abbondanti nell'universo, e il composto molecolare più semplice dei due, h 2 Oh, è comune, " ha detto Chris Tulk, Scienziato e autore principale dello scattering di neutroni dell'ORNL. "Infatti, una teoria popolare suggerisce che la maggior parte dell'acqua della Terra sia stata portata qui attraverso collisioni con comete ghiacciate".
Sulla terra, quando le molecole d'acqua raggiungono lo zero centigrado, entrano in uno stato energetico inferiore e si depositano su un reticolo cristallino esagonale. Questa forma congelata è indicata come ghiaccio Ih, la fase più comune dell'acqua che si può trovare nei congelatori domestici o nelle piste di pattinaggio.
Ghiaccio IX, il ghiaccio XV e il ghiaccio VIII sono tre delle almeno 17 fasi del ghiaccio realizzate quando le molecole si riorganizzano in una struttura cristallina stabile a temperature estremamente basse e pressioni molto elevate, condizioni che non si verificano naturalmente sulla Terra.
"Mentre il ghiaccio cambia fase, è simile all'acqua che passa da un gas a un liquido a un solido tranne che a basse temperature e alta pressione:il ghiaccio si trasforma tra varie forme solide diverse, " ha detto Tulk.
Ogni fase di ghiaccio conosciuta è caratterizzata dalla sua struttura cristallina unica all'interno del suo intervallo di stabilità pressione-temperatura, dove le molecole raggiungono l'equilibrio e le molecole d'acqua mostrano uno schema tridimensionale regolare, e la struttura diventa stabile.
Inizialmente, Tulk e colleghi del National Research Council of Canada e dell'Università della California a Los Angeles stavano esplorando la natura strutturale del ghiaccio amorfo, uno stato di ghiaccio che si forma senza una struttura cristallina ordinata, mentre si ricristallizza a pressioni ancora più elevate.
Per fare il ghiaccio amorfo, gli scienziati congelano l'acqua in un dispositivo ad alta pressione che viene raffreddato a meno 173 gradi Celsius e pressurizzato a circa 10, 000 atmosfere, o 147, 000 libbre per pollice quadrato (i pneumatici per auto vengono gonfiati a circa 32 libbre per pollice quadrato).
"Si pensa che questo tipo di ghiaccio amorfo sia correlato all'acqua liquida, e comprendendo che il collegamento era lo scopo originale di questo studio, " disse Tulk.
Nuove simulazioni suggeriscono che il carbonio (C) è abitualmente legato al ferro (Fe), silicio (Si) e ossigeno (O) nelle profondità dell'oceano di magma che ricopriva la Terra quando era giovane. Quelle molecole pesanti alla fine sarebbero affondate nel nucleo del pianeta, alludendo a depositi nascosti di carbonio al centro del nostro pianeta. Credito:Natalia Solomatova/École Normale Supérieure de Lyon
Alla Spallation Neutron Source di ORNL, la squadra ha congelato una sfera di tre millimetri, o circa mezza goccia, di acqua deuterata, che ha un neutrone aggiuntivo nel nucleo di idrogeno necessario per l'analisi della diffusione dei neutroni. Quindi, hanno programmato i neutroni di spallazione e la pressione, o SNAP, diffrattometro a meno 173 gradi C. Lo strumento aumentava la pressione in modo incrementale ogni due ore fino a 411, 000 libbre per pollice quadrato, o circa 28, 000 atmosfere mentre si raccolgono dati sulla diffusione dei neutroni tra ogni aumento di pressione.
"Una volta ottenuto il ghiaccio amorfo, abbiamo pianificato di aumentare la temperatura e la pressione e osservare l'ordinamento molecolare locale mentre il ghiaccio amorfo si "scioglie" in un liquido super raffreddato e poi si ricristallizza, " disse Tulk. Tuttavia, dopo aver analizzato i dati, furono sorpresi di apprendere che non avevano creato ghiaccio amorfo, ma piuttosto una sequenza di trasformazioni cristalline attraverso quattro fasi di ghiaccio con densità sempre crescente:dal ghiaccio Ih al ghiaccio IX al ghiaccio XV al ghiaccio XIII. Non c'era alcuna prova di ghiaccio amorfo.
"Ho fatto molti di questi campioni sempre comprimendo il ghiaccio a bassa temperatura, ", ha affermato il coautore Dennis Klug del National Research Council of Canada, il laboratorio che ha originariamente scoperto l'amorfizzazione del ghiaccio indotta dalla pressione nel 1984. "Non avevo mai visto prima che questo percorso pressione-temperatura risultasse in una serie di forme cristalline come questa".
"Se i dati del nostro esperimento fossero veri, significherebbe che il ghiaccio amorfo non è correlato all'acqua liquida ma è piuttosto una trasformazione interrotta tra due fasi cristalline, un importante allontanamento dalla teoria ampiamente accettata, " Aggiunse Klug.
All'inizio, il team pensava che la loro osservazione fosse il risultato di un campione contaminato.
Altri tre esperimenti con un fresco, campioni gestiti con cura su SNAP hanno prodotto risultati identici, riconfermando la sequenza di trasformazione strutturale senza formazione di ghiaccio amorfo.
La chiave era la lenta velocità di aumento della pressione e la raccolta di dati a una pressione più bassa che consentiva alla struttura del ghiaccio di rilassarsi e diventare la forma stabile del ghiaccio IX. Esperimenti precedenti sono passati rapidamente sulla struttura del ghiaccio IX senza rilassamento, questo ha portato alla fase amorfa.
Da 35 anni, gli scienziati hanno studiato le proprietà dell'acqua super fredda e hanno cercato quello che è noto come il secondo punto critico, che è sepolto all'interno delle fasi di ghiaccio solido. Ma questi risultati mettono in dubbio la sua stessa esistenza. "La relazione tra ghiaccio amorfo indotto dalla pressione e acqua è ora in dubbio, e il secondo punto critico potrebbe anche non esistere, " ha detto Tulk.
"I risultati di questo documento costituiranno la base dell'analisi di futuri studi sulle fasi del ghiaccio amorfo durante i prossimi esperimenti effettuati presso il SNS, " Ha aggiunto.
Coautori dello studio intitolato, "Assenza di forme amorfe quando il ghiaccio viene compresso a bassa temperatura, " includevano Chris A. Tulk e Jamie J. Molaison dell'ORNL; Adam Makhluf e Craig E. Manning dell'UCLA e Dennis D. Klug dell'NRC del Canada.
