Nuova forma di ghiaccio scoperta inaspettatamente durante un esperimento

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La ricerca illustra quanto gli scienziati devono ancora imparare su una molecola semplice come l’acqua.

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Di Kenneth Chang

Agitata e refrigerata – ma non mescolata – la normale acqua ghiacciata si trasforma in qualcosa di diverso: una forma di ghiaccio appena scoperta, composta da un miscuglio di molecole con proprietà uniche.

"Questo è del tutto inaspettato e molto sorprendente", ha detto Christoph Salzmann, professore di chimica all'University College di Londra in Inghilterra e autore di un articolo pubblicato giovedì sulla rivista Science che descriveva il ghiaccio.

L'acqua è una molecola semplice che è stata studiata attentamente dagli scienziati per secoli: due atomi di idrogeno che sporgono con un angolo di 104,5 gradi a forma di V da un atomo di ossigeno centrale.

La nuova scoperta dimostra, ancora una volta, che l’acqua, una molecola senza la quale non è noto che possa esistere la vita, nasconde ancora sorprese scientifiche ancora da svelare. Questo esperimento ha utilizzato apparecchiature relativamente semplici ed economiche per rivelare una forma di ghiaccio che potrebbe esistere altrove nel sistema solare e in tutto l’universo.

Nella vita di tutti i giorni incontriamo tre forme di acqua: un gas vaporoso come il vapore, acqua liquida che scorre e ghiaccio duro e scivoloso. Il ghiaccio della nostra vita quotidiana è costituito da molecole d’acqua allineate secondo uno schema esagonale e quei reticoli esagonali si accumulano ordinatamente uno sopra l’altro. La struttura esagonale non è compatta, motivo per cui il ghiaccio è meno denso dell'acqua liquida e galleggia.

Con variazioni di temperatura e pressione diverse da quelle generalmente presenti sulla Terra, le molecole d’acqua possono essere spinte in altre strutture cristalline. Gli scienziati ora conoscono 20 forme cristalline di acqua. La ventesima forma di ghiaccio è stata scoperta l'anno scorso.

Inoltre, i ricercatori hanno documentato anche due tipi di ghiaccio con molecole mescolate, quelli che chiamano materiali amorfi. Poiché uno dei ghiacci amorfi è più denso dell'acqua, è noto come ghiaccio amorfo ad alta densità; l'altro, con densità inferiore a quella dell'acqua, è ghiaccio amorfo a bassa densità. I ghiacci amorfi non si trovano sulla Terra, ma potrebbero essere prevalenti nello spazio, nelle comete, nelle nubi interstellari e nei mondi ghiacciati come Europa, una luna di Giove.

Esiste anche un tipo di acqua che è sia liquida che solida. Nel 2018, gli scienziati hanno annunciato la creazione dell’“acqua superionica”, che era allo stesso tempo solida e liquida.

Il Dr. Salzmann e i suoi colleghi non volevano aggiungere qualcosa al catalogo delle granite. Volevano invece studiare cristalli di ghiaccio molto piccoli, perché i frammenti minuscoli di qualcosa a volte possiedono proprietà molto diverse dai frammenti più grandi della stessa sostanza.

Così Alexander Rosu-Finsen, uno scienziato post-dottorato nel gruppo di ricerca del Dr. Salzmann e autore principale dell'articolo su Science, ha iniziato a frantumare il ghiaccio. L'acqua ghiacciata è stata prima raffreddata in azoto liquido a meno 320 gradi Fahrenheit e poi posta in un contenitore insieme a sfere d'acciaio. Una macchina ha quindi scosso il ghiaccio e le sfere d'acciaio, ancora raffreddate a temperature ultrafredde, avanti e indietro 20 volte al secondo, polverizzando il ghiaccio in piccoli pezzetti, un processo noto come macinazione a sfere.

Pensatelo come uno shaker per cocktail high-tech.

La dottoressa Rosu-Finsen ha quindi aperto il contenitore.

"Ecco, è successo qualcosa di completamente inaspettato", ha detto il dottor Rosu-Finsen, che ora è redattore associato presso la rivista Nature Reviews Chemistry.

Il materiale bianco all'interno somigliava a quello che ci si aspetterebbe dal ghiaccio frantumato, ma era stato trasformato.

Il materiale era ora più denso e gran parte della struttura cristallina era stata distrutta, producendo un materiale amorfo. La densità, tuttavia, non corrispondeva ai già noti ghiacci amorfi ad alta e bassa densità. Curiosamente, è caduto nel mezzo; in effetti, aveva quasi esattamente la stessa densità dell'acqua liquida. Fino ad ora, tutte le forme solide del ghiaccio, cristalline o amorfe, erano significativamente più dense o meno dense dell’acqua liquida.