Una sostanza affascinante dalle proprietà uniche, il ghiaccio ha incuriosito l'uomo da tempo immemorabile. A differenza della maggior parte degli altri materiali, il ghiaccio a temperatura molto bassa non è così ordinato come potrebbe essere. Una collaborazione tra la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), il Centro Internazionale di Fisica Teorica Abdus Salam (ICTP), l'Istituto di Fisica Rosario (IFIR-UNR), con il supporto dell'Istituto Officina dei Materiali del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-IOM), ha fatto nuove incursioni teoriche sui motivi per cui ciò accade e sul modo in cui si può recuperare parte dell'ordine mancante. In quello stato ordinato il team di scienziati ha descritto una proprietà relativamente oscura e tuttavia fondamentale del ghiaccio a temperatura molto bassa:la ferroelettricità. I risultati, pubblicato in PNAS , possono estendersi alle superfici ghiacciate, una possibilità che potrebbe essere rilevante per l'agglomerazione di particelle di ghiaccio nello spazio interstellare.

"In un pezzo di ghiaccio idealmente ordinato gli atomi di idrogeno di ogni molecola d'acqua dovrebbero puntare nella stessa direzione, come soldati in plotone che guardano davanti a loro, " spiega Alessandro Laio, fisico della SISSA e dell'ICTP. "Se così fosse, il ghiaccio mostrerebbe una polarizzazione elettrica macroscopica:sarebbe ferroelettrico. Anziché, molecole d'acqua nel ghiaccio, anche a temperature molto basse, comportatevi come soldati indisciplinati, e tutti guardano in direzioni diverse."

Questo comportamento anomalo, scoperto sperimentalmente negli anni '30, fu immediatamente e notoriamente spiegato da Linus Pauling:la mancanza di disciplina è un effetto del vincolo della "regola del ghiaccio":ogni atomo di ossigeno dovrebbe in qualsiasi momento possedere due e solo due protoni per renderlo H ₂ O. La difficile cinetica creata da quel vincolo fa sì che il processo di ordinamento diventi infinitamente lento, come in un plotone dove ogni soldato aveva quattro vicini e doveva tenere due mani sulle spalle di due di loro.

"Se non fosse per impurità o difetti, che si è rivelato avere un ruolo rivelatore, ancora oggi non si saprebbe se l'ordine dei protoni e la ferroelettricità del ghiaccio cristallino sfuso sia una possibilità reale o un frutto dell'immaginazione, poiché né gli esperimenti né le simulazioni potrebbero superare il rallentamento cinetico generato dalle regole del ghiaccio, " precisa Erio Tosatti, fisico della SISSA, ICTP e CNR-IOM Democritos.

impurità, come un KOH che sostituisce H ₂ Oh, sono infatti noti per consentire al processo di ordinazione di nucleare e al ghiaccio di diventare ordinato e ferroelettrico a bassissima temperatura, anche se solo in parte e con lentezza. Di nuovo, si sospettava che dietro la lentezza di questo processo ci fosse la "regola del ghiaccio", ma non si sapeva esattamente come funzionasse.

Insieme a Jorge Lasave e Sergio Koval dell'IFIR-UNR in Argentina, entrambi membri associati ICTP, Alessandro Laio ed Erio Tosatti hanno progettato un modello teorico e una strategia per spiegare il comportamento del ghiaccio puro e drogato.

"Secondo questo modello, " spiegano gli scienziati, "una volta che un'impurezza viene introdotta all'interno di uno stato disordinato iniziale di non equilibrio a bassa temperatura, funge da seme per la fase ordinata, ma in modo peculiare:non tutti i "soldati" intorno all'impurità iniziano a guardare nella direzione giusta, ma solo quelli davanti o dietro l'impurità. Così, alla fine del processo solo una serie di soldati all'interno del plotone verrà ordinata." Questo processo altamente atipico ha molte delle caratteristiche che possono spiegare l'inizio lento e incompleto dell'ordine ferroelettrico nel ghiaccio drogato reale.

"Anche se per ora lo studio è limitato al ghiaccio sfuso, "Concludono Tosatti e Laio, "il meccanismo evidenziato rischia di estendersi alle superfici ghiacciate, dove stringhe di protoni ordinati potrebbero nuclearsi a basse temperature, spiegando una piccola quantità nota da tempo di polarizzazione ferroelettrica locale, un fenomeno menzionato anche come possibilmente rilevante per l'agglomerazione di particelle di ghiaccio nello spazio interstellare."