Una fase
cristallina dell’acqua che si forma a pressioni superiori a 50000 atmosfere e
300 °C: il ghiaccio VII plastico che si differenzia dalle altre forme di
ghiaccio per la sua natura ibrida tra un solido e un liquido. Le molecole
dell’acqua in questa fase sono disposte in un reticolo cubico denso, ma, a
differenza delle altre forme di ghiaccio, sono libere di ruotare attorno alle
loro posizioni d’equilibrio in modo simile a un liquido. Questo comportamento
dinamico conferisce alla fase una natura plastica, la cui esistenza è stata
ipotizzata da simulazioni di dinamica molecolare ma mai osservata
sperimentalmente.
Il gruppo
internazionale di ricerca, guidato da Livia Eleonora Bove del Dipartimento di
Fisica della Sapienza, è riuscito a ottenere l’osservazione diretta
dell’esistenza del ghiaccio VII plastico. A darne notizia con una nota è la
stessa Sapienza. Per dimostrare sperimentalmente il comportamento esotico di
questa fase dell’acqua, il team di ricercatori ha utilizzato lo scattering
quasi-elastico da neutroni (QENS), una tecnica che consente di misurare
direttamente le proprietà rotazionali e la dinamica diffusiva in sistemi
molecolari. I dati sperimentali hanno fornito fin da subito la prova
dell’esistenza della fase plastica. Tuttavia, per comprendere in dettaglio il
meccanismo con cui le molecole ruotano, sono stati necessari ulteriori
esperimenti e il confronto con simulazioni di dinamica molecolare. A queste
attività di ricerca hanno contribuito in particolare John Russo e Francesco
Sciortino del Dipartimento di Fisica della Sapienza.
“Combinando
dati sperimentali e simulazioni, abbiamo scoperto che le rotazioni nel ghiaccio
plastico non sono completamente libere, ma piuttosto avvengono attraverso salti
tra posizioni preferenziali”, spiega Maria Rescigno della Sapienza, prima
autrice del lavoro. “Questo comportamento – prosegue - conferisce al ghiaccio
VII plastico proprietà uniche, che lo distinguono dalle altre fasi solide
dell’acqua e ne influenzano significativamente le proprietà fisiche”.
Lo studio, non
solo fornisce nuove informazioni sulla natura dei legami idrogeno in condizioni
estreme - fondamentali per comprendere meglio le proprietà dell’acqua e di molte
altre sostanze chimiche - ma apre nuove strade per la comprensione della
struttura dei corpi celesti ghiacciati e della loro evoluzione.
Un caso
particolarmente interessante è quello delle due lune di Giove, Ganimede e
Callisto, la cui differenziazione interna rimane una questione aperta nella
planetologia. Una possibile spiegazione di tale fenomeno potrebbe dipendere
dalla presenza di ghiaccio plastico in una sola delle due lune. Questa
circostanza avrebbe influenzato diversamente la loro evoluzione strutturale.
La ricerca,
frutto di una collaborazione internazionale che ha coinvolto ben nove
istituzioni, rappresenta un importante avanzamento nella comprensione del
complesso diagramma delle fasi dell'acqua in condizioni estreme e potrebbe
aprire nuove prospettive di ricerca nel campo della planetologia.
In primo piano:
Diagramma di fase. Immagine realizzata da Maria Rescigno del Dipartimento di
Fisica della Sapienza.
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