Jonathan Morris, centro, lavora con gli scienziati dell'ORNL Saad Elorfi e Arnab Banerjee per recuperare il suo cristallo di ghiaccio da una camera criogenica presso lo strumento ARCS di Spallation Neutron Source. Attestazione:ORNL/Genevieve Martin
Il ghiaccio che mescoliamo nelle nostre bevande ghiacciate è un composto complicato, pieno di strane incongruenze molecolari, gli scienziati fanno ancora fatica a capire. Esplorare la fisica dietro la strana microstruttura del ghiaccio d'acqua può aiutarci a saperne di più su altri materiali avanzati apparentemente non correlati e sui loro stati quantistici.
Ecco perché Jonathan Morris, un assistente professore di fisica alla Xavier University, e Giuseppe Lanier, uno studente universitario ricercatore, stanno lavorando con l'assistente di ricerca post-dottorato Anjana Samarakoon presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia (DOE) per sondare un singolo cristallo di acqua ghiacciata. Nello specifico, il team vuole saperne di più sui difetti ionici, misteriose anomalie molecolari che a volte compaiono nella struttura altrimenti cristallina del ghiaccio. Se riescono a capire quanta energia ci vuole per produrre questi difetti ionici, potrebbero essere in grado di utilizzare tali informazioni per creare modelli per comprendere incongruenze simili trovate nelle strutture molecolari di altri materiali.
"Vogliamo stabilire una migliore comprensione della fisica fondamentale che detta il comportamento del ghiaccio d'acqua, e poi, si spera, usare quella conoscenza per saperne di più su altri composti e stati della materia, " ha detto Morris.
In genere, il ghiaccio si comporta secondo una serie di linee guida chiamate Bernal-Fowler Rules (conosciute anche come Ice Rules), che di solito può prevedere come si comporteranno le molecole nell'acqua ghiacciata. Per esempio, le regole di Bernal-Fowler affermano che tra due atomi di ossigeno, ci sarà un atomo di idrogeno, e intorno a un atomo di ossigeno, ci saranno due atomi di idrogeno. Ma il ghiaccio reale non è sempre così organizzato. Qualche volta, le molecole d'acqua nel ghiaccio si comportano male, guadagnando o perdendo atomi di idrogeno per diventare ioni unici a differenza di qualsiasi delle loro molecole d'acqua vicine.
"Invece di due idrogeni accanto a un singolo atomo di ossigeno, potresti finire con tre, che crea un H 3 oh + ione, o potresti ritrovarti con un solo idrogeno accanto a un ossigeno, che sarebbe un OH - ione. Questi difetti infrangono le regole del ghiaccio a livello locale, e vorremmo capire come e perché lo fanno, " disse Samarakoon.
Morris spiega che saperne di più su questi difetti ionici aiuterebbe i ricercatori a comprendere meglio la fisica fondamentale che detta il modo in cui il ghiaccio si scioglie e risponde ai campi elettrici. Potrebbe anche far luce su materiali che mostrano comportamenti quantistici, come i candidati al ghiaccio con spin quantistico, che hanno disposizioni di spin analoghe agli atomi di idrogeno nel ghiaccio d'acqua.
"Da una parte, siamo davvero interessati a saperne di più sul ghiaccio, in particolare perché ci sono molte cose che non sappiamo sulla sua microstruttura. Ma siamo anche interessati al ghiaccio perché i tipi di incongruenze che vediamo nella sua struttura molecolare sono molto simili ai difetti che troviamo in altri materiali, inclusi alcuni stati quantistici, " ha detto Morris.
Per comprendere meglio questi difetti nel ghiaccio e in altri materiali, Morris, Lanier, e Samarakoon hanno utilizzato l'Elastic Diffuse Scattering Spectrometer (CORELLI) e il Wide Angular-Range Spectrometer (ARCS) presso la Spallation Neutron Source (SNS) dell'ORNL per sondare un delicato cristallo di ossido di deuterio congelato, noto anche come "ghiaccio d'acqua pesante", solo 4 centimetri di lunghezza e 8 millimetri di diametro.
"Abbiamo usato acqua pesante, D2O, perché i suoi atomi di deuterio presentano un neutrone in più nei loro nuclei rispetto all'idrogeno normale, che rende più facile l'osservazione con lo scattering di neutroni rispetto a H 2 O. E poiché l'acqua pesante e l'acqua normale hanno strutture atomiche simili, possiamo usare ciò che apprendiamo sul ghiaccio d'acqua pesante per costruire ipotesi sul ghiaccio d'acqua regolare, " ha detto Morris.
I collaboratori dell'Helmholz-Zentrum di Berlino hanno prodotto il cristallo, il che significava che doveva essere spedito a freddo dalla Germania a Oak Ridge. Morris e il suo team hanno dovuto prendere precauzioni speciali per assicurarsi che non si sciogliesse durante il volo.
"Portare quel campione di ghiaccio al deuterio fino a Oak Ridge è stato piuttosto impegnativo. Abbiamo dovuto conservarlo in un contenitore di ghiaccio secco e spedirlo con un servizio aereo speciale per assicurarci che non venisse distrutto accidentalmente durante il viaggio. Siamo molto contenti del successo che abbiamo avuto e di quanto siano stati utili tutti in ORNL durante questo processo, " ha detto Morris.
I neutroni sono perfetti per questo esperimento. sono profondamente penetranti, consentendo a Morris e al suo team di costruire un'indagine completa della microstruttura interna del cristallo di ghiaccio e di tracciare le firme energetiche delle molecole di acqua congelata che vibrano all'interno del ghiaccio. Lo strumento CORELLI presso SNS è particolarmente utile per questo esperimento perché consente a Morris di concentrarsi specificamente sugli eventi di scattering elastico, in cui i neutroni vengono dispersi dagli atomi di un campione senza perdere o guadagnare energia. Quindi, può utilizzare il vicino strumento ARCS per misurare il comportamento dinamico, che integra perfettamente i dati statici che lui e il suo team ottengono da CORELLI.
"Gli eventi di scattering elastico sono davvero importanti per localizzare e studiare i difetti ionici nel ghiaccio. SNS è unico perché non solo possiamo separare i dati di scattering elastico da quelli anelastici con CORELLI, ma possiamo anche verificare quei risultati usando ARCS. Questo rende l'esecuzione del nostro esperimento molto più semplice, " ha detto Morris.
Morris, Lanier, e Samarakoon sperano che le informazioni raccolte da questi esperimenti non solo aiuteranno gli scienziati a comprendere meglio il ghiaccio d'acqua, ma contribuiranno anche a una migliore comprensione di altri materiali.
"Il ghiaccio è un materiale affascinante, e ciò che apprendiamo sui suoi difetti ionici qui all'ORNL potrebbe aiutarci a dare un contributo significativo alla scienza dei materiali nel suo insieme, " ha detto Lanier.
