Nell’esperienza di tutti i giorni, l’acqua è conosciuta nei tre stati più comuni: liquido, gassoso e solido. Ma in realtà le sue forme sono molteplici. Tuttora ne sono state scoperte 20 differenti per la fase solida. La diciottesima è nota come ghiaccio superionico.

Questa configurazione è stata osservata per la prima volta nel 2018, ma solo per qualche nanosecondo. Un tempo veramente piccolo, pari a 1 miliardesimo di secondo. Recentemente un gruppo di scienziati ha ricreato questo stato della materia, stabilizzandolo per alcuni microsecondi. Giusto il tempo necessario per studiarne le transizioni di fase dallo stato di goccia d’acqua a ghiaccio superionico e la per osservarne la struttura. Quest’ultima in particolare, nasconde delle proprietà interessanti, come la generazione di un campo magnetico. Il ghiaccio superionico potrebbe quindi rappresentare un importante indizio sulla formazione della magnetosfera di pianeti come Nettuno e Urano, senza escludere quelli scoperti oltre i confini del Sistema Solare.

La diciottesima forma del ghiaccio

È nozione comune sapere che l’acqua è composta da un atomo di ossigeno e due di idrogeno. Nella fase cristallina classica, più molecole sono unite assieme da un legame molto forte. Questa forma è nota col nome di ghiaccio Ih. Il ghiaccio superionico invece è costituto da una struttura reticolare di atomi di ossigeno, fissi nella loro posizione. Quelli di idrogeno invece diventano ioni, particelle divenute cariche a seguito della perdita di uno o più elettroni, e si muovono attraverso il reticolo, come un fluido.

Questo oceano di idrogeno conferisce al ghiaccio due interessanti proprietà:

• Una colorazione nera, dovuta al flusso di idrogeno che impedisce alla luce di filtrare attraverso il ghiaccio;
• la generazione di un campo magnetico.

Una produzione complessa

Teorie sull’esistenza di questo stato della materia risalgono al 1988, avanzate dal gruppo di ricerca guidato dal professor Pierfranco Demontis dell’Università di Sassari. Ci vollero però ben 30 anni prima di ottenere una prova sperimentale. Al Laboratorio Nazionale Lawreance Livermore in California, nel 2018, fu ottenuta la prima evidenza di questa nuova forma del ghiaccio, la cui formazione durò solamente qualche nano secondo. Grazie a questa osservazione, i ricercatori furono in grado di misurare la conduttività elettrica, che indica l’attitudine di un materiale a essere attraversato da una corrente. La sua struttura in quell’occasione fu solamente intravista, ma grazie alle ultime ricerche, è stata svelata nel dettaglio.

Come testimonia la lunga attesa dalla sua teorizzazione, ottenere questa tipologia di ghiaccio a livello pratico è tutt’altro che semplice. Sono infatti necessarie pressioni e temperature elevatissime, simili a quelle presenti nel centro della Terra. Il metodo che ha permesso agli scienziati di creare questo materiale ha utilizzato delle incudini di diamante da 0.2 carati e un laser. Le prime hanno pressurizzato una goccia d’acqua a una pressione 3.5 milioni di volte superiore a quella atmosferica. Il laser invece l’ha riscaldata, raggiungendo temperature più alte rispetto a quelle della superficie del Sole. Con lo scopo di ricavare la struttura del reticolo cristallino, la goccia è stata sottoposta a una pioggia di raggi X, ottenuti sfruttando un acceleratore di elettroni chiamato sincrotrone. La componente della radiazione scatterata ha fornito così la mappa reticolare del ghiaccio superionico.

Molteplici forme cristalline

Come già accennato precedentemente, il ghiaccio finora è stato osservato in ben 20 forme diverse. Le differenze sono prevalentemente strutturali: i legami tra gli atomi che formano le molecole d’acqua si modificano al variare di temperatura e pressione a cui il campione viene sottoposto. Si possono così ottenere reticoli esagonali, tra cui l’esempio più comune è quello dei fiocchi di neve, o forme più esotiche. Tra queste, quella del ghiaccio superionico.

Nel nucleo di un pianeta

Viste le condizioni necessarie per la formazione di questo particolare stato della materia, non è escluso che il ghiaccio superionico possa trovarsi nel nucleo dei pianeti. Se così fosse, il campo magnetico creatosi dall’oceano di idrogeno, suggerisce una qualche connessione con la magnetosfera presente in alcuni pianeti e satelliti del Sistema Solare, come Urano, Nettuno ed Europa. Comprendere quindi come e dove il ghiaccio superionico abbia origine diventa estremamente utile per districare il mistero nascosto nei campi magnetici presenti nel nostro Universo. Non è da escludere infatti, che altri mondi lontani possano presentare caratteristiche magnetiche simili.

Per questo motivo, l’importanza di questo studio risalta anche nell’ambito astrofisico. La presenza di una magnetosfera è fondamentale per la protezione della superficie di un pianeta dalle dannose radiazioni proviene dalla stella attorno a cui si trova. Uno scudo naturale che renderebbe nuovi mondi meno ostili alla vita. Se la magnetosfera dipendesse quindi dalla presenza del ghiaccio superionico, questo nuovo stato dell’acqua sarebbe un indizio fondamentale nella ricerca di vita nell’Universo. Ci sono ancora moltissime cose da conoscere di questo nuovo materiale. Quello che è certo è la grandiosità delle scoperte che potremmo compiere una volta che tutte le sue proprietà verranno ben definite.

Qui lo studio completo, pubblicato su Nature Physics.

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