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La scoperta di un nuovo tipo di ghiaccio può cambiare la nostra comprensione dell’acqua
I ricercatori dell’UCL e dell’Università di Cambridge hanno scoperto un nuovo tipo di ghiaccio che assomiglia più da vicino all’acqua liquida rispetto a qualsiasi altro ghiaccio conosciuto e che potrebbe riscrivere la nostra comprensione dell’acqua e delle sue numerose anomalie.
Il ghiaccio appena scoperto è amorfo, cioè le sue molecole sono in una forma disorganizzata, non ordinata in modo ordinato come nel normale ghiaccio cristallino. Il ghiaccio amorfo, sebbene raro sulla Terra, è il principale tipo di ghiaccio trovato nello spazio. Questo perché nell’ambiente più freddo dello spazio, il ghiaccio non ha abbastanza energia termica per formare cristalli.
Per lo studio, pubblicato sulla rivista Science , il team di ricerca ha utilizzato un processo chiamato macinazione a sfere, agitando vigorosamente ghiaccio ordinario insieme a sfere d’acciaio in un barattolo raffreddato a -200 gradi centigradi.
Hanno scoperto che, invece di finire con piccoli pezzi di ghiaccio ordinario, il processo ha prodotto una nuova forma amorfa di ghiaccio che, a differenza di tutti gli altri ghiacci conosciuti, aveva la stessa densità dell’acqua liquida e il cui stato assomigliava all’acqua in forma solida. Hanno chiamato il nuovo ghiaccio ” ghiaccio amorfo a media densità ” (MDA).
Il team ha suggerito che l’MDA (che sembra una fine polvere bianca) possa esistere all’interno delle lune di ghiaccio del sistema solare esterno, poiché le forze di marea di giganti gassosi come Giove e Saturno possono esercitare forze di taglio simili sul ghiaccio ordinario come quelle create dalla macinazione delle sfere. . Inoltre, il team ha scoperto che quando l’MDA veniva riscaldato e ricristallizzato, rilasciava una quantità straordinaria di calore, il che significa che poteva innescare moti tettonici e “terremoti” nella copertura di ghiaccio spessa chilometri su lune come Ganimede.
L’autore senior, il professor Christoph Salzmann (Chimica dell’UCL), ha dichiarato: “L’acqua è il fondamento di tutta la vita. La nostra esistenza dipende da essa, lanciamo missioni spaziali alla sua ricerca, ma da un punto di vista scientifico è poco conosciuta.
“Sappiamo di 20 forme cristalline di ghiaccio, ma in precedenza sono stati scoperti solo due tipi principali di ghiaccio amorfo, noti come ghiacci amorfi ad alta e bassa densità. C’è un enorme divario di densità tra loro e la saggezza accettata è stata quella non esiste ghiaccio all’interno di quel divario di densità. Il nostro studio mostra che la densità di MDA è proprio all’interno di questo divario di densità e questa scoperta potrebbe avere conseguenze di vasta portata per la nostra comprensione dell’acqua liquida e delle sue numerose anomalie”.
Il divario di densità tra i ghiacci amorfi conosciuti ha portato gli scienziati a suggerire che l’acqua esista effettivamente come due liquidi a temperature molto fredde e che teoricamente, a una certa temperatura, entrambi questi liquidi potrebbero coesistere, con un tipo che galleggia sopra l’altro, come quando si mescolano olio e acqua. Questa ipotesi è stata dimostrata in una simulazione al computer, ma non confermata dall’esperimento. I ricercatori affermano che il loro nuovo studio potrebbe sollevare interrogativi sulla validità di questa idea.
Il professor Salzmann ha affermato: “I modelli esistenti di acqua dovrebbero essere ritestati. Devono essere in grado di spiegare l’esistenza del ghiaccio amorfo di media densità. Questo potrebbe essere il punto di partenza per spiegare finalmente l’acqua liquida”.
I ricercatori hanno proposto che il ghiaccio appena scoperto possa essere il vero stato vetroso dell’acqua liquida, cioè una replica precisa dell’acqua liquida in forma solida, nello stesso modo in cui il vetro nelle finestre è la forma solida del biossido di silicio liquido. Tuttavia, un altro scenario è che MDA non è affatto vetroso, ma è in uno stato cristallino fortemente tagliato.
Il co-autore, il professor Andrea Sella (UCL Chemistry), ha dichiarato: “Abbiamo dimostrato che è possibile creare quella che sembra una specie di acqua in stop-motion. Questa è una scoperta inaspettata e piuttosto sorprendente”.
L’autore principale, il dott. Alexander Rosu-Finsen, che ha svolto il lavoro sperimentale mentre era alla UCL Chemistry, ha dichiarato: “Abbiamo scosso il ghiaccio come un matto per molto tempo e distrutto la struttura cristallina. Piuttosto che finire con pezzi di ghiaccio più piccoli, abbiamo ci siamo resi conto che avevamo escogitato un genere di cose completamente nuovo, con alcune proprietà notevoli.”
Imitando la procedura di macinazione delle sfere attraverso il taglio casuale ripetuto del ghiaccio cristallino, il team ha anche creato un modello computazionale di MDA. Il Dr. Michael Davies, che ha svolto la modellazione computazionale durante il dottorato di ricerca. studente del laboratorio ICE (interfaces, catalytic & environmental) presso l’UCL e l’Università di Cambridge, ha dichiarato: “La nostra scoperta dell’MDA solleva molte domande sulla natura dell’acqua liquida e quindi comprendere la precisa struttura atomica dell’MDA è molto importante”.
L’acqua ha molte anomalie che hanno a lungo sconcertato gli scienziati. Ad esempio, l’acqua è più densa a 4 gradi centigradi e diventa meno densa quando si congela (quindi il ghiaccio galleggia). Inoltre, più si spreme l’acqua liquida, più diventa facile comprimerla, deviando dai principi validi per la maggior parte delle altre sostanze.
Il ghiaccio amorfo è stato scoperto per la prima volta nella sua forma a bassa densità negli anni ’30, quando gli scienziati hanno condensato il vapore acqueo su una superficie metallica raffreddata a -110 gradi centigradi. Il suo stato di alta densità è stato scoperto negli anni ’80 quando il ghiaccio ordinario è stato compresso a quasi -200 gradi centigradi. Sebbene comune nello spazio, sulla Terra si pensa che il ghiaccio amorfo si trovi solo nelle fredde parti superiori dell’atmosfera.
La macinazione a sfere è una tecnica utilizzata in diversi settori per macinare o miscelare materiali, ma non era stata applicata prima al ghiaccio. Nello studio, l’azoto liquido è stato utilizzato per raffreddare una giara di macinazione a -200 gradi centigradi e la densità del ghiaccio macinato a sfere è stata determinata dalla sua galleggiabilità nell’azoto liquido. I ricercatori hanno utilizzato una serie di altre tecniche per analizzare la struttura e le proprietà dell’MDA, tra cui la diffrazione dei raggi X (osservando lo schema dei raggi X riflessi dal ghiaccio) e la spettroscopia Raman (osservando come il ghiaccio disperde la luce) all’UCL Chimica e diffrazione di piccoli angoli presso l’UCL Center for Nature-Inspired Engineering per esplorare la sua struttura a lungo raggio. Hanno anche replicato con successo il processo di produzione di ghiaccio a media densità in una simulazione al computer, utilizzando l’UCL Kathleen High Performance Computing Facility.
Inoltre, hanno usato la calorimetria per studiare il calore rilasciato quando il ghiaccio di media densità si ricristallizzava a temperature più calde . Hanno scoperto che, se hanno compresso l’MDA e poi lo hanno riscaldato, ha rilasciato una quantità sorprendentemente grande di energia mentre si ricristallizzava, dimostrando che l’H 2 O può essere un materiale geofisico ad alta energia che può guidare i movimenti tettonici nelle lune di ghiaccio del sistema solare.
More information: Alexander Rosu-Finsen et al, Medium-density amorphous ice, Science (2023). DOI: 10.1126/science.abq2105. www.science.org/doi/10.1126/science.abq2105
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