Una nuova ricerca che coinvolge gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) mostra che l'acqua può rimanere liquida in uno stato metastabile quando passa da una forma liquida a una forma densa di ghiaccio a pressioni più elevate rispetto a quelle misurate in precedenza.

L'acqua in condizioni estreme ha attirato l'attenzione di recente a causa del suo complesso diagramma di fase, comprese le fasi superioniche del ghiaccio con proprietà esotiche che esistono ad alte pressioni e densità. Ad oggi, 20 fasi di ghiaccio cristallino uniche sono state trovate naturalmente sulla Terra o in laboratorio. L'acqua mostra anche bizzarri fenomeni metastabili quando viene compressa o raffreddata molto rapidamente, che hanno attirato l'interesse dei fisici di tutto il mondo per molti anni.

"Se l'acqua viene compressa molto rapidamente, rimarrà liquido in uno stato metastabile fino a quando non si cristallizzerà definitivamente in ghiaccio VII ad una pressione più alta del previsto, " ha detto Michelle Marshall, ricercatore presso il Laboratory for Laser Energetics (LLE) dell'Università di Rochester, un ex postdoc LLNL e autore principale dello studio che appare in Lettere di revisione fisica .

Ice VII è il polimorfo stabile dell'acqua a temperatura ambiente e a pressioni superiori a ∼2 GPa (più di 19, 000 atmosfere]. Recentemente, Ice VII è stato trovato naturalmente sulla Terra per la prima volta come inclusioni nei diamanti provenienti dalle profondità del mantello. Potrebbe esistere all'interno delle lune ghiacciate di Giove e nei mondi acquatici oltre il nostro sistema solare.

La nuova ricerca ha mostrato come l'acqua può rimanere liquida in uno stato metastabile quando subisce la transizione liquido-ghiaccio-VII a pressioni più elevate di quelle misurate in precedenza. Precedenti lavori sperimentali presso il gigantesco impianto Z a energia pulsata hanno mostrato che l'acqua compressa si trasforma in ghiaccio VII a 7 GPa (69, 000 atmosfere) quando l'acqua viene compressa a rampa in centinaia di nanosecondi. I nuovi esperimenti si sono invece spostati sull'uso di laser ad alta potenza presso l'Omega Laser Facility per comprimere l'acqua in tempi ancora più brevi (nanosecondi).

Proprio come nei precedenti lavori LLNL su oro (Au) e platino (Pt), la cosa più difficile è comprimere l'acqua abbastanza delicatamente per evitare di formare un'onda d'urto che rovinerebbe l'esperimento (cioè realizzando una compressione a rampa senza shock). Poiché l'acqua è molto più comprimibile di metalli come Au e Pt, la creazione di un'onda di compressione a rampa in uno strato d'acqua sottile micrometri richiede un aumento del carico di pressione a una velocità molto più lenta.

"Anche se le pressioni che otteniamo sembrano molto modeste rispetto ad altri esperimenti di compressione dinamica ultraveloce guidati da laser, questi esperimenti estremamente difficili sono davvero alla frontiera di ciò che possiamo fare con i laser giganti, ed è stata una sfida entusiasmante, ", ha affermato lo scienziato e co-autore LLNL Marius Millot.

I nuovi dati rivelano che l'acqua può rimanere liquida ad almeno 8-9 GPa (79, 000-89, 000 atmosfere) prima di cristallizzarsi in ghiaccio VII:la pressione di congelamento aumenta con la velocità di compressione.

"Ciò significa che l'acqua può rimanere liquida a pressioni almeno 3,5 volte superiori a quelle previste in base al diagramma di fase di equilibrio, "Ha detto Marshall. "È davvero bello pensare che lo stiamo comprimendo così velocemente che l'acqua non ha il tempo di cristallizzare, così rimane liquido."

"Siamo alla frontiera della scienza sperimentale ultraveloce, "Marshall ha detto, "ed è stato fantastico collaborare con i nostri colleghi di teoria e simulazione per ottenere un quadro più dettagliato di ciò che stava accadendo. È notevole che i più recenti progressi teorici e numerici forniscano ora una comprensione dettagliata dei fenomeni osservati. Ciò potrebbe avere implicazioni per la nostra comprensione generale delle trasformazioni di fase in condizioni estreme."

Questo lavoro fa parte di uno sforzo più ampio per comprendere la cinetica di transizione di fase nei materiali compressi dinamicamente. La natura onnipresente dell'acqua e il suo complesso diagramma di fase rendono la transizione di fase liquido-ghiaccio-VII un interessante banco di prova per la modellazione della cinetica di transizione di fase. SAMSA, un modello cinetico sviluppato da LLNL, fornisce una comprensione dettagliata dei risultati sperimentali basandosi sull'immagine fondamentalmente semplice della nucleazione omogenea utilizzando la teoria della nucleazione classica.

Ampiamente parlando, questo lavoro aiuta a migliorare i modelli materiali e la comprensione, che potrebbero avere implicazioni interessanti per altre aree chiave di ricerca presso il Laboratorio come la produzione avanzata e la stampa 3D. Anche gli stati metastabili e la complessa cristallizzazione dell'acqua sono fondamentali per la scienza dell'atmosfera e quindi per la sicurezza climatica.