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Ricreato in laboratorio il ghiaccio superionico presente su Urano e Nettuno

Gli scienziati hanno trovato un nuovo stato della materia che si forma a temperature e pressioni elevate. Può essere trovato su qualche pianeta del nostro Sistema Solare, come la Terra, ma anche Urano e Nettuno.

Categorie Fisica · Geologia

Alcuni ricercatori dell’Università di Chicago e della Carnegie Institution for Science di Washington hanno scoperto un nuovo stato della materia. Mantenendo una goccia d’acqua in una presa di diamante, aumentando la pressione e cuocendola con un fascio laser, hanno ottenuto quello che prende il nome di ghiaccio superionico. Questo ghiaccio potrebbe somigliare a quello presente nel nucleo della maggior parte dei giganteschi pianeti ghiacciati dell’universo

Cos’è il ghiaccio superionico?

Il ghiaccio superionico o acqua superionica è una fase dell’acqua in cui gli atomi di ossigeno formano un reticolo a celle cubiche, mentre gli atomi d’idrogeno scorrono liberamente all’interno di esso come un fluido. Come se fosse dunque liquido e solido in uno. Questo tipo di ghiaccio, infatti, presenta delle proprietà bizzarre che lo distinguono dal ghiaccio tradizionale, ad esempio presente nel freezer o al Polo Nord. Per trovarlo sono necessarie misurazioni molto veloci, tecniche sperimentali all’avanguardia e un controllo molto fine di pressione e temperatura. Secondo i ricercatori questa forma d’acqua è molto abbondante nel nostro sistema solare, in particolare in pianeti come Urano e Nettuno. La scoperta del ghiaccio superionico, quindi, potrebbe spiegare le origini di questi pianeti, i cosiddetti “ghiganti di ghiaccio”.

ghiaccio superionico
Urano (a sinistra) e Nettuno (a destra) fotografati dal Voyager 2. Credits: Nasa/Jpl

Excursus storico sulla scoperta del ghiaccio superionico

L’esistenza del ghiaccio superionico, o meglio dell’acqua in un così particolare stato della materia, è stata teorizzata la prima volta nel 1988 da un gruppo di ricercatori della University of Pennsylvania. Tra questi vi era anche l’italiano Pierfranco Demontis, oggi professore ordinario presso l’Univeristà degli Studi di Sassari. La prima conferma sperimentale della sua esistenza si è avuta nel 2019 presso il Laboratory for Laser Energetics di Brighton.

La prima scoperta del ghiaccio superionico è avvenuta mediante l’utilizzo di uno dei laser a raggi X più potenti del pianeta. Il laser ha colpito una goccia d’acqua, il che ha generato un’onda d’urto talmente forte da aumentare la pressione dell’acqua fino a milioni di atmosfere. In questo modo, la temperatura della goccia ha raggiunto migliaia di gradi. L’acqua non è diventata un liquido o un gas surriscaldato, al contrario si è trasformata in ghiaccio cristallino. Questo tipo di ghiaccio, diversamente dal classico ghiaccio che conosciamo, si presenta nero e caldo. Inoltre, il peso di un cubo di ghiaccio superionico è circa quattro volte quello del ghiaccio normale.

La nuova conferma della sua esistenza

Gli scienziati di Chicago e Carnegie hanno usato, invece, l’Advanced Photon Source, un enorme acceleratore dell’Argonne National Laboratory che spinge gli elettroni a velocità prossime alla velocità della luce per generare fasci di raggi X brillanti. Per simulare le intense pressioni hanno posto il campione tra due pezzi di diamante, la sostanza più dura sulla Terra. Successivamente hanno sparato il laser per scaldare il campione. Il coautore dello studio Vitali Prakapenka, professore di ricerca dell’Università di Chicago, una volta visti i risultati ottenuti, paragona il materiale ottenuto a un “solido reticolo di ossigeno seduto in un oceano di atomi d’idrogeno fluttuanti“.

ghiaccio superionico
Credits: Vitali Prakapenka

Il team non si aspettava la riuscita di questa ricerca in quanto gli scienziati teorici, anni fa, avevano previsto questo stato di materia non sotto i 50 gigapascal di pressione. Al contrario, l’esperimento è riuscito a 20 gigapascal.

Il ghiaccio superionico per studiare le origini dei pianeti

Risulta fondamentale mappare le condizioni in cui si verificano le diverse fasi del ghiaccio per comprendere la formazione degli altri pianeti. Può aiutare a comprendere dove cercare la vita all’interno di pianeti freddi e rocciosi come Urano e Nettuno. La presenza di questi ghiacci, inoltre, influisce sui campi magnetici di un pianeta. Conoscere l’andamento dei campi magnetici potrebbe mostrare agli scienziati una via per scovare nuove stelle e pianeti in altri sistemi solari. Saranno effettuati nuovi studi per comprendere ulteriori proprietà del ghiaccio superionico: la viscosità, la conduttività e la stabilità chimica. Queste proprietà variano nel momento in cui l’acqua si mescola con sali o altri minerali.

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Credits: QuantaMagazine