Riassunto:
Ghiaccio di solito significa bassa temperatura, ma gli scienziati hanno ora confermato che in ambienti ad altissima pressione l'acqua può formare un tipo speciale di "ghiaccio" che esiste ancora a temperature superiori a 2000°C. Un gruppo di ricerca francese ha recentemente creato con successo in laboratorio un nuovo tipo di ghiaccio la cui esistenza era stata precedentemente prevista teoricamente: ghiaccio superionico compatto esagonale. Questo materiale non è né completamente solido come il ghiaccio normale né può fluire liberamente come un liquido, e la sua struttura unica può aiutare a spiegare i campi magnetici insolitamente complessi all’interno di pianeti giganti di ghiaccio come Urano e Nettuno.
L'acqua è una delle sostanze più comuni sulla terra ed è indispensabile per la vita. Tuttavia, da un punto di vista fisico e chimico, l’acqua ha in realtà molte proprietà molto anomale. Ad esempio, il volume della normale acqua liquida si espande quando si congela. La densità del ghiaccio è inferiore a quella dell'acqua liquida; l'acqua ha anche una tensione superficiale e un punto di ebollizione insolitamente elevati. Se calcolata esclusivamente in base al peso molecolare delle molecole d’acqua, sarebbe ancora più probabile che l’acqua esista sotto forma di gas a temperatura ambiente.
Quando l'ambiente si sposta dalla superficie della Terra all'interno del pianeta, imponendo contemporaneamente temperature e pressioni estreme, l'acqua si comporta in modi ancora più peculiari. Questa volta i ricercatori hanno simulato le condizioni estreme all’interno di Urano e Nettuno in laboratorio e hanno catturato direttamente per la prima volta la struttura cristallina del ghiaccio superionico compatto esagonale.
Il cosiddetto "ghiaccio superionico" è uno stato speciale della materia tra i tradizionali solidi e liquidi. Quando l'acqua è sottoposta a pressioni enormi, pari a milioni di atmosfere, il materiale è in grado di mantenere una struttura reticolare solida anche a temperature molto elevate. In questo stato non esistono più molecole d'acqua complete nel senso tradizionale. Gli atomi di ossigeno sono fissati nella posizione del reticolo cristallino, mentre i nuclei di idrogeno possono muoversi rapidamente tra il reticolo cristallino composto da atomi di ossigeno come particelle nel liquido.
Pertanto, da un punto di vista macroscopico, questa sostanza presenta alcune caratteristiche sia del solido che del liquido: gli atomi di ossigeno formano un reticolo solido stabile, mentre gli atomi di idrogeno sono altamente mobili. Questa struttura unica rende anche il ghiaccio superionico altamente conduttivo.
Per creare questa sostanza estrema, i ricercatori hanno posizionato un piccolissimo campione d'acqua tra due punte di diamante e hanno quindi applicato gradualmente una pressione fino a 2,3 milioni di atmosfere. Per fare un confronto, la pressione al centro della Terra è di circa 3,6 milioni di atmosfere. I ricercatori hanno quindi utilizzato laser ad alta potenza per riscaldare l’acqua compressa a una temperatura di 2.630 Kelvin, ovvero circa 2.357°C.
In condizioni così estreme, i ricercatori hanno utilizzato i raggi X della radiazione di sincrotrone ad alta energia per condurre scansioni dettagliate dei campioni e osservare i cambiamenti strutturali dell'acqua in ambienti ad alta temperatura e alta pressione su scala atomica. L'esperimento ha finalmente catturato cristalli di ghiaccio superionici in cui gli atomi di ossigeno sono disposti in una struttura esagonale compatta, cioè una struttura hcp.
L'esperimento ha anche rivelato il processo attraverso il quale si forma questa struttura. Poiché la pressione e la temperatura continuano ad aumentare, la struttura cubica a facce centrate, o fcc, originariamente formata non rimarrà stabile per sempre. Lo scorrimento avverrà gradualmente tra diversi strati all'interno del cristallo, e alla fine la struttura originale sarà completamente trasformata in una struttura esagonale compatta più stabile, formando così ghiaccio superionico hcp che è stato al centro delle previsioni teoriche in precedenza.
Il significato di questa scoperta non è solo la creazione di "ghiaccio a più di 2.000 gradi Celsius". Gli scienziati credono da tempo che potrebbero esserci enormi strati di ghiaccio superionico all'interno dei pianeti giganti di ghiaccio come Urano e Nettuno, e la speciale conduttività di questo materiale potrebbe essere strettamente correlata ai campi magnetici estremamente insoliti dei due pianeti.
I campi magnetici di Urano e Nettuno sono significativamente diversi da quelli della Terra. Il campo magnetico della Terra forma approssimativamente una struttura relativamente regolare attorno all'asse di rotazione del pianeta, ma i campi magnetici di Urano e Nettuno sono significativamente deviati dal centro del pianeta e dall'asse di rotazione e le loro strutture sono complesse e asimmetriche. Gli scienziati avevano precedentemente suggerito che l’area che genera questo campo magnetico anomalo potrebbe non trovarsi nel nucleo del pianeta, ma in uno strato conduttivo composto da materiale ad alta tensione al suo interno.
Il ghiaccio superionico ha una proprietà molto importante: può condurre elettricità. Poiché i nuclei di idrogeno possono muoversi liberamente tra il reticolo fisso degli atomi di ossigeno, questo materiale è in grado di sviluppare proprietà elettriche e idrodinamiche completamente diverse dal ghiaccio normale. Se un tale strato di materiale esiste all’interno di Urano e Nettuno, potrebbe essere uno dei fattori importanti che guidano gli strani campi magnetici dei due pianeti.
Gli scienziati hanno precedentemente ottenuto prove dell'esistenza del ghiaccio superionico attraverso calcoli teorici e altri esperimenti ad alta pressione, ma questo esperimento ha ulteriormente confermato che questo materiale può formare una struttura compatta esagonale in condizioni estreme. I ricercatori ritengono che questo risultato significhi che potrebbe essere necessario rivedere alcuni modelli della struttura interna, dei meccanismi di conduzione e del flusso di materiale dei pianeti giganti ghiacciati.
Ancora più importante, le condizioni di temperatura e pressione all'interno di Urano e Nettuno non possono verificarsi naturalmente sulla superficie terrestre, quindi gli esperimenti con laser ad alta tensione in laboratorio sono diventati un mezzo importante per studiare questi mondi lontani. Ricreando gli interni planetari sulla Terra, gli scienziati possono studiare direttamente gli stati della materia inaccessibili ai veicoli spaziali.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Physical Review Letters. Per gli scienziati planetari, la conferma del ghiaccio superionico compatto esagonale non solo rivela ulteriormente le forme complesse che l’acqua può assumere in condizioni estreme, ma fornisce anche nuove basi fisiche per comprendere i due pianeti giganti più distanti nel sistema solare.
In altre parole, il cosiddetto "ghiaccio che supera i 2000°C" non significa che i cubetti di ghiaccio non si sciolgono alle alte temperature nel senso comune del termine, ma che si forma uno stato della materia completamente nuovo sotto un'enorme pressione. In un ambiente del genere, l’acqua si è completamente staccata dai comportamenti solido, liquido e gassoso che conosciamo ogni giorno e ha assunto una strana struttura in cui gli atomi di ossigeno sono fissi e gli atomi di idrogeno si muovono liberamente. Tali stati estremi della materia sono probabilmente nascosti nelle profondità di Urano e Nettuno, a miliardi di chilometri di distanza.
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