I ricercatori dell'European XFEL di Schenefeld vicino ad Amburgo hanno esaminato più da vicino la formazione della prima cristallizzazione dei nuclei in liquidi superraffreddati. Hanno scoperto che la formazione inizia molto più tardi di quanto precedentemente ipotizzato. I risultati potrebbero aiutare a comprendere meglio la futura creazione del ghiaccio nelle nuvole e a descrivere in modo più preciso alcuni processi all'interno della Terra.
Ogni bambino sa che l'acqua si trasforma in ghiaccio quando diventa ghiacciata. Per l'acqua, ciò avviene normalmente al di sotto di 0°C, la temperatura di fusione dell'acqua. Questo è un punto fisso sulla scala di temperatura Celsius che utilizziamo.
Tuttavia, il passaggio dalla fase liquida a quella solida è un processo molto complesso e difficile da studiare sperimentalmente a livello atomico. Uno dei motivi è che i cristalli si formano in modo casuale:non sai esattamente quando e dove accadrà.
Inoltre un liquido può rimanere a lungo in uno stato metastabile:rimane liquido anche se in realtà dovrebbe congelarsi e diventare solido. Ciò rende straordinariamente difficile individuare il momento giusto in cui un cristallo si forma e osservarne la crescita.
Tuttavia, questi effetti sono di natura molto rilevante. Ad esempio, svolgono un ruolo decisivo nella formazione del ghiaccio nelle nuvole o nei processi all'interno della Terra.
Utilizzando gli intensi lampi di raggi X del laser a elettroni liberi a raggi X dell'XFEL europeo, un team internazionale di ricercatori dell'XFEL europeo a Schenefeld vicino ad Amburgo è ora riuscito a misurare con precisione la nucleazione di liquidi superraffreddati. Gli esperimenti si sono svolti nel vuoto in modo che la luce dei raggi X non interagisse con le molecole nell'aria, il che interferirebbe con gli esperimenti.
La ricerca è pubblicata sulla rivista Physical Review Letters .
A causa della sua complessità, tuttavia, l’acqua è uno dei liquidi più difficili da modellare. Per questo motivo nei loro esperimenti i ricercatori hanno utilizzato argon e kripton in forma liquida. In effetti, i liquidi di gas nobile superraffreddati sono gli unici sistemi per i quali al momento è possibile fare previsioni teoriche affidabili.
I ricercatori hanno studiato esplicitamente la cosiddetta velocità di nucleazione dei cristalli J(T). Questa è una misura della probabilità che un cristallo si formi in un certo volume entro un certo tempo. La velocità con cui ciò accade è un parametro importante, ad esempio, per poter descrivere matematicamente i processi reali nei modelli, ad esempio nelle previsioni meteorologiche o nei modelli climatici.
Poiché è così difficile misurare la reale formazione dei cristalli, vengono spesso utilizzate delle simulazioni. Tuttavia, questi sono associati a grandi incertezze. Ad esempio, i tassi di nucleazione simulati per l'acqua possono discostarsi di diversi ordini di grandezza da quelli misurati sperimentalmente, il che rende la modellazione imprecisa.
Il laser a raggi X della European XFEL è ideale per indagini di questo tipo:con l'aiuto di intensi lampi di raggi X, i ricercatori possono studiare i rapidissimi cambiamenti nello sviluppo della cristallizzazione.
Per i propri esperimenti il team ha scelto lo strumento MID (MID =Materials Imaging and Dynamics). Hanno bombardato i getti liquidi con impulsi di raggi X che avevano un'energia di 9,7 kiloelettronvolt (keV). Ogni impulso di raggi X durava meno di 25 femtosecondi:un femtosecondo corrisponde a un quadrilionesimo di secondo. Per illustrare, la luce viaggia meno di un millimetro in questo tempo.
Gli sperimentatori hanno diretto l'intensa luce dei raggi X sul getto liquido, che era sottile solo 3,5 micrometri, focalizzandolo su una superficie con un diametro inferiore a un micrometro. In totale, il team ha registrato diversi milioni di immagini di diffrazione per disporre di statistiche sufficienti e determinare il tasso di formazione dei cristalli con sufficiente precisione.
Secondo i loro risultati, i tassi di nucleazione dei cristalli sono molto inferiori a quelli previsti sulla base delle simulazioni e della teoria classica.
"Lo studio promette di ampliare in modo significativo la nostra comprensione della cristallizzazione", afferma Johannes Möller dello strumento MID dell'XFEL europeo. "I risultati mostrano che la teoria classica ampiamente utilizzata della formazione di cristalli dalla fase liquida si discosta significativamente dalla realtà."
"Ci aspettiamo che il nostro approccio consentirà di testare per la prima volta varie estensioni della teoria classica per prevedere la cristallizzazione", aggiunge Robert Grisenti del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, l'autore senior dello studio. "I nostri risultati aiuteranno i teorici a perfezionare i loro modelli in futuro."
