La fisica è piena di misteri. Per trovarne alcuni che vale la pena esplorare, non guardare oltre un cubetto di ghiaccio. A temperatura ambiente, ovviamente, il cubo si scioglierà davanti ai tuoi occhi. Ma anche molto al di sotto dello zero, il ghiaccio può spostarsi in modi appena percettibili che gli scienziati stanno ancora cercando di capire. Utilizzando gli strumenti di imaging presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), i ricercatori hanno rilevato un fenomeno noto come prefusione a temperature molto inferiori a quelle osservate in precedenza.
I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences .
Il prescioglimento è la ragione per cui una zona di ghiaccio può essere scivolosa anche in una giornata gelida e limpida. Sebbene il punto sia ghiacciato, alcune parti della superficie sono bagnate, un'idea ipotizzata per la prima volta da Michael Faraday a metà del 1800. L'idea di uno strato prefuso simile a un liquido sul ghiaccio apre altre domande di vecchia data su come l'acqua si trasforma da liquida a solida in vapore e su come, in determinate condizioni, può essere tutte e tre le cose contemporaneamente.
Nel recente studio, gli scienziati hanno esaminato i cristalli di ghiaccio formatisi a temperature inferiori a meno 200 gradi Fahrenheit. Il team ha utilizzato il Center for Nanoscale Materials (CNM) dell'Argonne, una struttura utilizzata dal DOE Office of Science, per far crescere e osservare i nanocristalli di ghiaccio, che misuravano solo 10 milionesimi di metro di diametro.
Oltre a ciò che lo studio rivela sulla natura dell’acqua a temperature sotto lo zero, dimostra un metodo per esaminare campioni sensibili in dettaglio molecolare:la microscopia elettronica a trasmissione a basso dosaggio e ad alta risoluzione (TEM). TEM dirige un flusso di elettroni, che sono particelle subatomiche, verso un oggetto. Un rilevatore crea un'immagine rilevando il modo in cui gli elettroni si diffondono dall'oggetto.
"Alcuni materiali sono sensibili al fascio. Quando si utilizza un fascio di elettroni per visualizzarli, possono essere modificati o distrutti", ha affermato Jianguo Wen, scienziato dei materiali Argonne e autore principale dell'articolo. Un esempio di materiale sensibile al fascio di elettroni sono gli elettroliti, che scambiano particelle cariche nelle batterie." Essere in grado di studiarli nei minimi dettagli senza alterarne la struttura potrebbe aiutare nello sviluppo di batterie migliori.
Ma per cominciare, i ricercatori stanno sperimentando la tecnica TEM a basso dosaggio sull’acqua ghiacciata. Dopotutto, l’acqua è economica e abbondante. Inoltre, Wen ha affermato:"Il ghiaccio è molto difficile da fotografare, perché è molto instabile sotto il fascio di elettroni ad alta energia. Se dimostriamo con successo questa tecnica sul ghiaccio, l'imaging di altri materiali sensibili al fascio sarà un gioco da ragazzi. "
La tecnica a basso dosaggio combina il TEM con correzione delle aberrazioni del CNM con una telecamera specializzata per il rilevamento diretto degli elettroni. Il sistema è estremamente efficiente nel catturare informazioni da ogni singolo elettrone che colpisce un campione, quindi è possibile ottenere un'immagine ad alta risoluzione utilizzando meno elettroni, infliggendo così meno danni al bersaglio rispetto a un approccio TEM convenzionale.
Il basso livello di esposizione agli elettroni rende possibile catturare qualcosa di delicato come un cristallo di ghiaccio in situ o nel suo ambiente. Il team di ricerca ha utilizzato l'azoto liquido per far crescere i cristalli di ghiaccio su nanotubi di carbonio a 130 gradi Kelvin, o meno 226 gradi Fahrenheit.
Studi precedenti avevano osservato una prefusione vicino al punto triplo dell’acqua. Al punto triplo, la temperatura è appena sopra lo zero e la pressione è sufficientemente bassa da consentire la presenza contemporaneamente di ghiaccio, liquido e vapore acqueo. A temperature e pressioni inferiori al triplo punto, il ghiaccio sublima direttamente in vapore acqueo.
Le "regole" del comportamento dell'acqua sono spesso riassunte chiaramente in un semplice diagramma di fase che mappa i vari stati dell'acqua in diverse combinazioni di temperatura e pressione.
"Ma il mondo reale è molto più complesso di questo semplice diagramma di fase", ha detto Tao Zhou, scienziato dei materiali dell'Argonne e altro autore corrispondente dell'articolo. "Abbiamo dimostrato che la prefusione può avvenire molto più in basso sulla curva, anche se non possiamo spiegare il perché."
In un video catturato durante l'esperimento, si possono vedere due nanocristalli separati dissolversi l'uno nell'altro mentre il ghiaccio viene riscaldato sotto pressione costante a 150 gradi Kelvin, o meno 190 gradi Fahrenheit. Sebbene fosse ancora ben al di sotto dello zero, il ghiaccio formava uno strato quasi liquido. Quest'acqua ultraviscosa non è inclusa nelle linee semplici del diagramma di fase, dove l'acqua passa direttamente dal ghiaccio al vapore.
Lo studio solleva domande interessanti che potrebbero essere esplorate in lavori futuri. Qual è la natura esatta dello strato liquido che i ricercatori hanno visto? Cosa accadrebbe se la pressione aumentasse insieme alla temperatura? E questa tecnica apre la strada verso uno scorcio di “terra di nessuno”, lo stato in cui l’acqua superraffreddata si cristallizza improvvisamente da liquida in ghiaccio? La secolare indagine scientifica sui molteplici stati dell'acqua continua.
Coautori con Wen e Zhou sono Lei Yu, Thomas Gage, Suvo Banik, Arnab Neogi, Henry Chan, Xiao-Min Lin, Martin Holt e Ilke Arslan di Argonne; Yulin Lin e Aiwen Lei dell'Università di Wuhan; e Nathan Rosenmann dell'Università dell'Illinois a Chicago.
Ulteriori informazioni: Yulin Lin et al, Prefusione superficiale del ghiaccio molto al di sotto del punto triplo, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2023). DOI:10.1073/pnas.2304148120
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito dal Laboratorio nazionale Argonne
