Un team combinato di scienziati dei materiali e ingegneri dell’Istituto Federale Svizzero di Tecnologia e dell’Università di Yale, ha dimostrato tramite esperimenti di laboratorio, come i canali pieni d’acqua che attraversano il ghiaccio multicristallino possono portare a fratture in materiali come cemento e asfalto. Nel loro articolo pubblicato sulla rivista Physical Review Letters , il gruppo descrive gli esperimenti condotti con oggetti trasparenti, acqua e silicone, per mostrare come i canali liquidi nel ghiaccio possono portare a fratture nei materiali porosi.

L'acqua, a differenza di altri liquidi, si espande quando si congela. Ciò è dovuto alla forma unica delle molecole d'acqua e agli angoli che si formano tra loro quando l'acqua ghiaccia. Tale espansione è spesso imputata ai danni arrecati a materiali come strade e vialetti ma, come sottolineano i ricercatori, tale danno è dovuto alla crescita dei cristalli di ghiaccio, non all’espansione dell’acqua. Quindi il team ha studiato la crescita dei cristalli per determinare come provoca danni.

Notando che nel mondo reale la maggior parte di tali danni si verifica in materiali opachi, come cemento e asfalto, il che rende molto difficile studiare il processo mentre avviene, i ricercatori hanno adottato un altro approccio. Hanno creato un ambiente in cui tutti i materiali si comportassero allo stesso modo ma fossero anche trasparenti.

Il team ha iniziato con due vetrini separati da distanziatori. Hanno quindi creato un unico minuscolo poro utilizzando una colla fotopolimerizzabile, lunga e larga solo pochi millimetri. Successivamente, hanno coperto l’interno del lato inferiore del poro con un sottile strato di silicone, che hanno punteggiato con particelle fluorescenti prima di lasciarlo indurire. Poi hanno riempito il poro con acqua.

Una volta costruito il loro apparato, hanno poi raffreddato solo un'estremità del poro che avevano creato mentre riscaldavano l'altra estremità. E poi hanno osservato l'azione utilizzando un microscopio. Hanno scoperto che quando l'acqua nella parte refrigerata si congelava, il silicone iniziava a deformarsi e, così facendo, il cristallo di ghiaccio che si era formato nel poro diventava più grande e, così facendo, esercitava una pressione sullo strato di silicone. /P>

Uno sguardo più attento allo strato di silicone ha mostrato che tra il ghiaccio e il silicone persisteva una pellicola d'acqua, che fungeva da fonte di nuova acqua per la continua espansione, il che ha portato al tipo di danno osservato in materiali come cemento e asfalto.

Ulteriori informazioni: Dominic Gerber et al, La policristallinità migliora l'accumulo di stress intorno al ghiaccio, lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.208201

Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica

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