È stata scoperta una nuova forma di ghiaccio, chiamata ghiaccio XXI, capace di solidificarsi a temperatura ambiente quando sottoposta a pressioni circa 20.000 volte superiori a quella atmosferica.
Si tratta della ventunesima forma solida conosciuta dell’acqua, e secondo gli studiosi potrebbe trovarsi anche su pianeti e lune ghiacciate del Sistema Solare.
Lo studio, pubblicato su Nature Materials, è stato condotto dal Korea Research Institute of Standards and Science insieme a due delle più potenti infrastrutture scientifiche d’Europa: la European XFEL e la PETRA III del centro DESY in Germania.
Il risultato apre una nuova finestra sulla fisica dell’acqua, una sostanza tanto comune quanto ancora piena di misteri.
Cos’è il ghiaccio XXI e perché è una scoperta importante
Ogni volta che pensiamo al ghiaccio, lo immaginiamo come una struttura solida e rigida formata da molecole d’acqua disposte in modo ordinato. In realtà, l’acqua può congelare in molti modi diversi a seconda della temperatura e della pressione.
Finora ne erano state identificate venti forme solide, ma il ghiaccio XXI aggiunge un nuovo tassello alla mappa delle fasi dell’acqua.
La ventunesima forma solida dell’acqua
A differenza del ghiaccio comune, chiamato ghiaccio Ih, il ghiaccio XXI presenta una struttura cristallina tetragonale con unità ripetute di 152 molecole d’acqua.
Questa architettura complessa si forma quando la pressione raggiunge livelli estremi, circa 20.000 atmosfere, equivalenti a quelle che si trovano a centinaia di chilometri di profondità sotto la superficie terrestre.
Per produrlo, i ricercatori hanno utilizzato una cella a incudine di diamante, un dispositivo che comprime piccole quantità di liquido tra due punte di diamante lucidate fino a livelli di precisione atomica.
L’acqua, sottoposta a questa pressione per 10 millisecondi, si è trasformata in ghiaccio solido pur restando a temperatura ambiente.
Come si ottiene con la cella a incudine di diamante
La chiave dell’esperimento è stata la rapidità. In pochi millisecondi il liquido si è solidificato e poi è tornato allo stato liquido durante il rilascio della pressione.
Il processo è stato ripetuto più volte e ogni ciclo ha fornito nuovi dati sulla transizione di fase. La struttura del ghiaccio XXI è stata poi confermata grazie ai raggi X, che hanno rivelato l’organizzazione delle molecole d’acqua all’interno del reticolo.
Come i laser a raggi X hanno catturato la trasformazione
Riuscire a osservare un processo così rapido è stato possibile solo grazie alla potenza della European XFEL, il laser a raggi X più grande al mondo.
Questo strumento è in grado di produrre un milione di impulsi al secondo, ciascuno con una risoluzione tale da mostrare la posizione esatta degli atomi in movimento.
XFEL e PETRA III, i due strumenti chiave dell’esperimento
Durante l’esperimento la XFEL ha fornito le immagini in tempo reale della trasformazione dell’acqua in ghiaccio sotto pressione.
Contemporaneamente la PETRA III, sorgente di fotoni ad alta energia del centro DESY, ha permesso di analizzare la disposizione cristallina del materiale.
Il risultato è stato un filmato microscopico di un processo mai osservato prima, capace di mostrare come le molecole d’acqua si riorganizzano istantaneamente per formare una nuova struttura solida.
Il legame con i pianeti ghiacciati del Sistema Solare
La scoperta del ghiaccio XXI non interessa solo i fisici ma anche gli studiosi di planetologia e astrobiologia.
Molti corpi del Sistema Solare, come Titano, Europa e Ganimede, ospitano spessi strati di ghiaccio sopra enormi oceani sotterranei. In quelle profondità la pressione può superare di molto quella terrestre, creando condizioni ideali per la formazione di fasi esotiche come il ghiaccio XXI.
Pressioni estreme e potenziali analogie con Titano e Ganimede
Se il ghiaccio XXI si forma solo a temperatura ambiente e sotto pressioni altissime, è plausibile che esista nelle zone intermedie dei pianeti ghiacciati dove l’acqua liquida incontra strati di ghiaccio compresso.
Capire come queste strutture si comportano aiuta a costruire modelli più accurati dell’interno dei corpi celesti, fondamentali per studiare la loro evoluzione geologica e il potenziale di ospitare vita.
Una vittoria della fisica e della tecnologia
L’esperimento rappresenta anche un traguardo tecnologico notevole.
Le apparecchiature impiegate, dai laser a raggi X alle celle a incudine di diamante, operano ai limiti della fisica sperimentale, consentendo di osservare eventi che durano pochi millisecondi e avvengono in spazi microscopici.
Per la fisica dello stato solido, il ghiaccio XXI è un passo in avanti verso una mappa completa delle fasi dell’acqua, un materiale apparentemente semplice ma capace di comportamenti complessi.
Ogni nuova scoperta contribuisce a comprendere meglio le leggi che regolano la materia, la temperatura e la pressione, concetti chiave per la scienza dei materiali e per l’astrofisica.
Perché l’acqua resta la sostanza più misteriosa dell’universo
Nonostante la sua onnipresenza, l’acqua continua a sorprendere i ricercatori.
Dalla sua capacità di espandersi quando gela fino alla varietà di forme solide che può assumere, questo composto rimane una delle sostanze più studiate e meno prevedibili del pianeta.
Il ghiaccio XXI non cambierà la nostra vita quotidiana, ma dimostra ancora una volta che anche i materiali più familiari possono nascondere segreti enormi.
Capire queste forme esotiche di ghiaccio significa anche comprendere come si formano i mondi ghiacciati e come l’acqua, sotto ogni forma, continui a essere la chiave della vita e della fisica.
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