Quanto è piccola la particella di ghiaccio più piccola possibile? Non è un fiocco di neve, misurando a un'enorme frazione di pollice. Secondo una nuova ricerca pubblicata su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , la più piccola nanogoccia d'acqua in cui si può formare il ghiaccio è grande solo quanto 90 molecole d'acqua, un decimo delle dimensioni del virus più piccolo. A quelle piccole scale, secondo la professoressa di chimica dell'Università dello Utah e coautrice dello studio Valeria Molinero, il passaggio tra ghiaccio e acqua diventa un po' crespo.

"Quando hai un bicchiere d'acqua con ghiaccio, non vedi l'acqua nel bicchiere girare tutto ghiaccio e tutto liquido in funzione del tempo, " dice. Nelle più piccole nanogoccioline d'acqua, lei dice, è esattamente quello che succede.

Perché "ice I" è importante

La transizione tra acqua e ghiaccio è tra le più importanti trasformazioni tra fasi (solidi, liquidi e gas) sul nostro pianeta, dove ha effetti unici sul nostro clima e allo stesso tempo regola la vitalità della vita. Comprendere le condizioni che portano alla formazione del ghiaccio, poi, è una ricerca attiva in aree che comprendono le scienze ambientali e della terra, fisica, chimica, biologia e ingegneria.

Il ghiaccio esiste sulla Terra quasi esclusivamente nella struttura cristallina esagonale altamente ordinata nota come "ghiaccio I". Nella nostra atmosfera, piccoli ammassi d'acqua si formano e successivamente si congelano, seminando cristalli più grandi ed eventualmente nuvole. A causa di effetti termodinamici concorrenti, però, al di sotto di un certo diametro questi ammassi d'acqua non possono formare ghiaccio termodinamicamente stabile I. L'esatto intervallo di dimensioni degli ammassi d'acqua in grado di formare ghiaccio stabile I è stato studiato attraverso esperimenti e teorie per anni con le stime più recenti che restringono l'intervallo da un minimo di 90 molecole d'acqua fino a 400.

Superraffreddamento:basso e lento

Nel passato, una delle principali barriere nello studio sperimentale di questo limite è stata il raffreddamento degli ammassi di liquidi superraffreddati abbastanza lentamente da consentire la corretta formazione del reticolo di ghiaccio I. Il raffreddamento troppo rapido crea ammassi di ghiaccio amorfo, una fase meno ordinata. Se i grappoli non vengono raffreddati lentamente e in modo uniforme, il risultato è una combinazione innaturale di fasi di ghiaccio. Anche le simulazioni al computer della formazione del ghiaccio affrontano le proprie sfide nella replica della fisica su scala nanometrica e della formazione del ghiaccio.

Nel nuovo studio, ricercatori dell'Università dello Utah, l'Università della California, San Diego, l'Università di Gottinga, gli istituti Max Planck per la ricerca e la dinamica del sistema solare e l'auto-organizzazione di Göttingen combinano i recenti progressi nella simulazione e nella sperimentazione per districare l'interazione tra i vincoli che agiscono sulla transizione ghiaccio-liquido in ammassi di dimensioni nanometriche.

Per superare il problema del raffreddamento, il team di Göttingen ha utilizzato un raggio molecolare che genera cluster della dimensione desiderata espandendo inizialmente una miscela di acqua e argon attraverso un ugello di circa 60 micrometri di diametro. Il fascio risultante viene quindi incanalato attraverso tre zone distinte in cui viene abbassata la velocità di raffreddamento per controllare la formazione dei cluster, raggiungendo una bassa temperatura di 150 K (-123 °C o -189 °F). Per simulare le proprietà delle nanogocce sono stati utilizzati modelli computerizzati dell'acqua sviluppati dai team di San Diego e Utah.

La fine del ghiaccio

Utilizzando le firme spettroscopiche a infrarossi per monitorare la transizione al ghiaccio I negli ammassi, i ricercatori hanno trovato un accordo promettente tra gli approcci sperimentali e teorici. I risultati forniscono una forte evidenza che la "fine del ghiaccio" si verifica quando i cluster sono circa 90 molecole d'acqua. A questa dimensione, i cluster sono solo circa 2 nanometri di diametro, o circa un milione di volte più piccolo di un tipico fiocco di neve.

Francesco Paesani all'Università della California, San Diego spiega, "Questo lavoro collega in modo coerente concetti sperimentali e teorici per lo studio delle proprietà microscopiche dell'acqua degli ultimi tre decenni, che ora può essere visto in una prospettiva comune."

Oscillazione inaspettata

inaspettatamente, i ricercatori hanno scoperto sia nella simulazione che nell'esperimento che la coesistenza del ghiaccio si comporta in modo diverso in cluster da 90 a 150 molecole d'acqua dal tagliente, transizione di fusione ben definita che sperimentiamo con ghiaccio e acqua macroscopici (su larga scala) che si verificano a 0 ° C. È stato riscontrato che i cluster transitano invece su un intervallo di temperature e oscillano nel tempo tra gli stati liquido e ghiaccio, un effetto delle loro piccole dimensioni che è stato previsto per la prima volta tre decenni fa, ma mancavano prove sperimentali fino ad ora.

Thomas Zeuch dell'Universität Göttingen osserva, "I sistemi macroscopici non hanno un meccanismo analogo; l'acqua è liquida o solida. Questo comportamento oscillante sembra unico per i cluster in questa gamma di dimensioni e temperatura".

"Non c'è niente come queste oscillazioni nella nostra esperienza di coesistenza di fasi nel mondo macroscopico!" aggiunge Molinero. In un bicchiere d'acqua, lei dice, sia il ghiaccio che l'acqua sono stabili e possono coesistere, indipendentemente dalle dimensioni dei pezzi di ghiaccio. Ma in una nanogoccia che contiene sia liquido che ghiaccio, la maggior parte delle molecole d'acqua si troverebbe all'interfaccia tra ghiaccio e acqua, quindi l'intero cluster a due fasi diventa instabile e oscilla tra un solido e un liquido.

Quando il ghiaccio diventa strano

Gli ammassi d'acqua delle dimensioni e delle temperature nell'esperimento sono comuni negli oggetti interstellari e nelle atmosfere planetarie, compreso il nostro, dice Molinero. Esistono anche nella mesosfera, uno strato atmosferico sopra la stratosfera.

"Possono anche esistere come sacche d'acqua in una matrice di un materiale, anche in cavità di proteine, " lei dice.

Se le transizioni oscillatorie potessero essere controllate, Molinero dice, potrebbero plausibilmente costituire la base di una nano valvola che consente il passaggio di materiali quando è liquido e ne interrompe il flusso quando è solido.

I risultati vanno oltre il semplice ghiaccio e acqua. Molinero dice che i fenomeni su piccola scala dovrebbero accadere per qualsiasi sostanza alle stesse scale. "In tal senso, " lei dice, "il nostro lavoro va oltre l'acqua e guarda più in generale alla coda di una transizione di fase, come si trasforma da acuto a oscillatorio e poi le fasi stesse scompaiono e il sistema si comporta come una grande molecola."