Gli scienziati dell’European XFEL, in Germania, hanno annunciato oggi la creazione di una nuova forma di ghiaccio comprimendo l’acqua tra diamanti, senza abbassare la temperatura.
Ghiaccio XXI: scoperta una nuova fase dell’acqua sotto pressioni estreme
Il lavoro ha coinvolto un team internazionale di ricercatori, che ha cercato di simulare le condizioni presenti nelle profondità dei pianeti e delle lune del sistema solare. Gli specialisti hanno utilizzato pressioni fino a due gigapascal e hanno osservato la struttura cristallina risultante con tecniche a raggi X.
La procedura non ha richiesto l’abbassamento della temperatura dell’acqua. Gli scienziati hanno posizionato una goccia tra due diamanti, applicando una pressione estrema per trasformarne la struttura molecolare. Questo metodo ha raggiunto circa 20.000 volte la pressione atmosferica normale, consentendo il raggruppamento delle molecole in una configurazione inedita.
Secondo DW, gli impulsi di pressione sono durati millisecondi e si sono ripetuti in più di mille cicli, con brevi pause per osservare i cambiamenti. È stato utilizzato il laser a raggi X European XFEL, che registra immagini a velocità estremamente elevate.
La trasformazione ha prodotto la fase nota come ghiaccio XXI. Si tratta della ventunesima variante cristallina dell’acqua identificata in laboratorio. La struttura di questo nuovo ghiaccio è più compatta di quella del ghiaccio comune e rimane stabile solo per alcune decine di microsecondi. Successivamente, evolve verso formazioni cristalline riconosciute, come il ghiaccio VI.
Pressione estrema e formazione di una fase sconosciuta
Secondo un comunicato dell’European XFEL, la scoperta rivela che le alte pressioni possono modificare la struttura dell’acqua anche a temperatura ambiente. Il team ha utilizzato la cella a incudine di diamante, uno strumento in grado di riprodurre condizioni simili a quelle all’interno delle lune ghiacciate, come Titano o Ganimede. La rapida compressione dell’acqua ha permesso di osservare la formazione del ghiaccio XXI prima della sua transizione verso fasi conosciute.
Secondo Geun Woo Lee, ricercatore capo del Korean Research Institute of Standards and Science (KRISS), il ghiaccio XXI rappresenta una fase intermedia, un “percorso nascosto” nella trasformazione dell’acqua in ghiaccio sotto pressione.
Lee ha indicato che la pressione mantiene l’acqua liquida oltre il suo normale punto di cristallizzazione, aprendo vie di fase ancora inesplorate. Lo studio, pubblicato su Nature Materials, include immagini scattate con l’XFEL a intervalli di microsecondi che mostrano la formazione e la scomparsa di questa struttura.
Gli scienziati hanno confermato l’esistenza del ghiaccio XXI attraverso analisi effettuate sulla sorgente di fotoni PETRA III. La struttura cristallina osservata ha una forma tetragonale e raggruppa 152 molecole d’acqua per blocco, una disposizione nuova nella famiglia dei ghiacci scoperti. Il carattere metastabile di questa fase ne limita la durata a frazioni di secondo, ma ne consente lo studio attraverso tecniche di osservazione rapide e precise.
Implicazioni per l’esplorazione spaziale e la conoscenza dei materiali
Rachel Husband, ricercatrice del team DESY HIBEF, ha sottolineato che la scoperta suggerisce la possibilità di ulteriori fasi metastabili ad alte temperature e i loro percorsi di transizione. Secondo Husband, l’esistenza del ghiaccio XXI potrebbe ampliare la comprensione dei processi interni di lune e pianeti con grandi pressioni, dove le fasi intermedie giocano un ruolo nella dinamica interna e nella struttura.
La scoperta apre una nuova prospettiva sulla fisica dell’acqua, un materiale quotidiano che mostra comportamenti complessi e vari. I ricercatori stanno ora cercando di identificare altri percorsi di transizione e di analizzare l’influenza di fattori quali la pressione, la composizione e l’ambiente nella formazione delle fasi cristalline.
Secondo il portale ZME Science, l’utilizzo della pressione al posto delle basse temperature costituisce una strategia innovativa, che potrebbe servire a studiare i processi in condizioni estreme nello spazio e sulla Terra. I dati dell’European XFEL e di altre fonti, come Nature Materials e Interesting Engineering, documentano i dettagli sperimentali e il potenziale del metodo per future ricerche.
Geun Woo Lee ha sottolineato che esistono ancora molte domande sulla cristallizzazione dell’acqua e sul numero di fasi possibili del ghiaccio. Il team internazionale sta lavorando per ampliare la descrizione delle transizioni di fase, utilizzando tecnologie di osservazione ad alta velocità e sofisticati dispositivi di compressione.
La ricerca ridefinisce i limiti della formazione del ghiaccio e suggerisce nuove opportunità per comprendere il ruolo di questo materiale su altri pianeti e satelliti. I risultati ampliano la conoscenza degli stati della materia e contribuiscono allo studio dei processi naturali in condizioni estreme.
