Si ritiene spesso che la struttura in vetro di un materiale imiti il ​​suo liquido corrispondente. Il poliamorfismo tra i ghiacci è stato utilizzato come guida per chiarire le proprietà dell'acqua liquida. Ma quante forme di ghiacci amorfi esistono? Comprendiamo come il ghiaccio cristallino metastabile ad alta pressione si evolve verso la forma a bassa densità termicamente stabile?

Un team di ricerca internazionale guidato da Chuanlong Lin e Wenge Yang di HPSTAR e John S. Tse dell'Università del Saskatchewan ha rivelato un meccanismo di trasformazione a più fasi utilizzando la diffrazione di raggi X di sincrotrone in situ all'avanguardia risolta nel tempo. Nell'evoluzione strutturale dal ghiaccio cristallino metastabile (ghiaccio VII o ghiaccio VIII) al ghiaccio termodinamicamente stabile I. Questi processi intermedi competono tra loro. Il risultato finale è una giustapposizione di questi processi. L'opera è pubblicata in PNAS .

L'acqua svolge un ruolo fondamentale nell'origine della vita sulla Terra. Nella fase liquida, mostra molte proprietà insolite. Nella fase solida, il ghiaccio ordinario mostra anche diverse transizioni di fase ad alta pressione. Molti studi teorici e sperimentali sono stati dedicati alla comprensione dei meccanismi di inter-conversione sottostanti. Finora, la maggior parte degli esperimenti sono stati misurazioni ex situ su campioni recuperati e mancano di informazioni dettagliate sull'evoluzione strutturale che accompagna la trasformazione. Gli studi precedenti sono stati ostacolati da difficoltà tecniche nel monitorare il rapido cambiamento strutturale in un ampio intervallo di pressione e temperatura.

Nel 2017, Lin ei suoi colleghi hanno superato la sfida sperimentale. È stata condotta una serie di studi per studiare le transizioni del ghiaccio combinando la diffrazione di raggi X risolta nel tempo in situ, e controllo remoto della pressione con diverse velocità di rampa all'interno di un criostato a bassa temperatura. Questa capacità ha permesso la soppressione delle transizioni cristallino-cristalline guidate termicamente [ PNAS 115, 2010-2015 (2018)]. Sono state ottenute importanti intuizioni sulla complessità delle trasformazioni poli-amorfe, come l'amorfizzazione in due fasi cineticamente controllata nel ghiaccio Ih [Phys. Rev. Lett. 119, 135701 (2017)] e la fortunata avventura nella terra di nessuno [Phys. Rev. Lett. 121, 225703(2018)].

Ora, cercano di rispondere qual è esattamente la natura dei processi di trasformazione di fase amorfo-amorfo? Utilizzando le nuove tecniche sviluppate, hanno esplorato il processo "specchio", cioè., trasformazione inversa da un ghiaccio cristallino metastabile ad alta densità (cioè, ice VII o ice VIII) al ghiaccio stabile ambientale I. Hanno identificato i percorsi cinetici dipendenti dalla temperatura/tempo e caratterizzato l'interazione/competizione tra la transizione e la ricristallizzazione tra amorfo ad alta densità (HDA) e amorfo a bassa densità (LDA). Contrariamente alle sequenze di trasformazione di ghiaccio VII (o ghiaccio VIII) -LDA-ghiaccio I precedentemente riportate, le misurazioni risolte nel tempo mostrano un processo in tre fasi:trasformazione iniziale del ghiaccio VII in HDA, seguito da una transizione HDA-LDA, e quindi la cristallizzazione di LDA in ghiaccio I. Sia l'amorfizzazione del ghiaccio VII che la transizione da HDA a LDA mostrano meccanismi di attivazione termica distintivi. In modo significativo, entrambi i processi mostrano il comportamento di Arrhenius con un tempo di durata dipendente dalla temperatura (τ) e una temperatura di "transizione" intorno a 110-115 K.

Anche i calcoli di dinamica molecolare su larga scala supportano i loro risultati sperimentali. Per di più, mostra che la trasformazione da HDA a LDA è continua con una grande differenza di densità e comporta sostanziali spostamenti di acqua su scala nanometrica. Questo studio presenta una nuova prospettiva sulla metastabilità e le complessità nel modellare i percorsi cinetici di transizione del ghiaccio.