Lo studio, intitolato "Rich Proton Dynamics and Phase Behaviors of Nanoconfined Ices", è stato pubblicato su Nature Physics .

Questi risultati, che sfidano il normale comportamento osservato nella vita quotidiana, racchiudono un immenso potenziale per far avanzare la nostra comprensione delle proprietà insolite dell’acqua in ambienti estremi, come nel nucleo di lontani pianeti ghiacciati. Le implicazioni di questo importante progresso scientifico abbracciano vari campi, tra cui la scienza planetaria, la scienza energetica e l'ingegneria nanofluidica.

Guidato dal professor Zeng Xiaocheng, professore a capo e titolare della cattedra presso il Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali della CityU, il gruppo di ricerca ha utilizzato metodi computazionali all'avanguardia per simulare le proprietà dell'acqua e del ghiaccio in condizioni estreme.

Attraverso il potenziale dell'apprendimento automatico, le ricerche sulla struttura cristallina, la dinamica molecolare del percorso integrale e la metadinamica, hanno condotto simulazioni complete di acqua mono e bi-strato sotto nanoconfinamento. Queste simulazioni hanno svelato una serie di fenomeni interessanti, tra cui lo scioglimento del ghiaccio in acqua bidimensionale (2D), un nuovo comportamento del ghiaccio, la scissione dell'acqua e la dinamica dei protoni nel nano ghiaccio.

Il gruppo di ricerca ha scoperto 10 nuovi stati del ghiaccio 2D, ciascuno con caratteristiche uniche. In particolare, hanno identificato il ghiaccio molecolare 2D con una configurazione simmetrica O-H-O, che ricorda l’Ice X 3D con la più alta densità trovato sulla Terra. Inoltre, hanno osservato ghiaccio dinamico, parzialmente ionico e diversi ghiacci superionici. Sorprendentemente, questi stati di ghiaccio 2D potrebbero essere prodotti a pressioni molto inferiori rispetto alle loro controparti 3D con densità dell'acqua simile, rendendoli più accessibili in condizioni di laboratorio.

Il professor Zeng ha sottolineato l'importanza di queste scoperte, affermando che rappresentano una nuova frontiera nella comprensione della fisica e della chimica dell'acqua e del ghiaccio in condizioni estreme, in particolare nel nucleo dei pianeti giganti di ghiaccio.

"Il potenziale per creare questi stati unici di scissione del ghiaccio e dell'acqua in laboratorio, compresi i ghiacci dinamici, parzialmente ionici e superionici a una pressione inferiore a quanto ritenuto possibile in precedenza, è particolarmente entusiasmante", ha affermato il professor Zeng.

Esplorare il comportamento dell'acqua e del ghiaccio in condizioni diverse, soprattutto se si considera il nanoconfinamento, è un compito profondamente complesso.

Il gruppo di ricerca ha affrontato questa sfida attraverso un ampio numero di simulazioni di dinamica molecolare e di dinamica molecolare integrale del percorso, generando un vasto set di dati. L'estrazione di informazioni significative da questa enorme quantità di dati ha rappresentato una sfida significativa per l'analisi dei dati, che ha richiesto un'esplorazione meticolosa.

Queste scoperte aprono la strada alla ricerca futura sui misteri dei pianeti giganti ghiacciati e sulle proprietà fondamentali dell’acqua. La fase successiva di questa ricerca prevede la validazione sperimentale delle previsioni computazionali e l'esplorazione di applicazioni pratiche.

Il professor Zeng ha espresso entusiasmo per il potenziale di questa ricerca nell'approfondire la nostra comprensione dell'acqua, del ghiaccio e della scissione dell'acqua in ambienti estremi, aprendo allo stesso tempo nuove frontiere nella nanoscienza e nella ricerca planetaria.