Gli esperti dicono che la scoperta del ghiaccio superionico rivendica le previsioni del computer, che potrebbero aiutare i fisici dei materiali a creare sostanze future con proprietà su misura. E trovare il ghiaccio richiedeva misurazioni ultraveloci e un controllo fine di temperatura e pressione, avanzando tecniche sperimentali. ” Tutto questo non sarebbe stato possibile, diciamo, cinque anni fa”, ha detto Christoph Salzmann dell’University College di Londra, che ha scoperto i ciem XIII, XIV e XV. ” Avrà un impatto enorme, di sicuro.,”
A seconda di chi chiedi, superionic ice è un’altra aggiunta alla già ingombrante serie di avatar di water o qualcosa di ancora più strano. Poiché le sue molecole d’acqua si rompono, ha detto il fisico Livia Bove del Centro Nazionale francese per la ricerca scientifica e dell’Università Pierre e Marie Curie, non è una nuova fase dell’acqua. ” È davvero un nuovo stato della materia”, ha detto, ” che è piuttosto spettacolare.,”
Puzzles Put on Ice
I fisici sono stati dopo ghiaccio superionico per anni — da quando una simulazione al computer primitiva guidata da Pierfranco Demontis nel 1988 predetto acqua avrebbe assunto questa strana, forma quasi metallo-like se si spinto oltre la mappa delle fasi di ghiaccio noti.
Sotto pressione e calore estremi, le simulazioni suggerite, le molecole d’acqua si rompono. Con gli atomi di ossigeno bloccati in un reticolo cubico, “gli idrogeni ora iniziano a saltare da una posizione nel cristallo all’altra, e saltano di nuovo, e saltano di nuovo”, ha detto Millot., I salti tra i siti del reticolo sono così veloci che gli atomi di idrogeno — che sono ionizzati, rendendoli essenzialmente carichi positivamente protoni — sembrano muoversi come un liquido.
Questo suggeriva che il ghiaccio superionico avrebbe condotto l’elettricità, come un metallo, con gli idrogeni che giocavano il solito ruolo degli elettroni. Avere questi atomi di idrogeno sciolti che sgorgano intorno aumenterebbe anche il disturbo del ghiaccio, o entropia. A sua volta, quell’aumento di entropia renderebbe questo ghiaccio molto più stabile di altri tipi di cristalli di ghiaccio, causando il suo punto di fusione a salire verso l’alto.,
Ma tutto questo era facile da immaginare e difficile da fidarsi. I primi modelli usavano la fisica semplificata, agitando la mano attraverso la natura quantistica delle molecole reali. Le simulazioni successive si sono piegate in più effetti quantistici, ma hanno comunque eluso le equazioni effettive necessarie per descrivere più corpi quantistici che interagiscono, che sono troppo difficili da risolvere dal punto di vista computazionale. Invece, hanno fatto affidamento sulle approssimazioni, aumentando la possibilità che l’intero scenario potesse essere solo un miraggio in una simulazione., Gli esperimenti, nel frattempo, non potevano fare le pressioni necessarie senza generare abbastanza calore per fondere anche questa sostanza resistente.
Mentre il problema sobbolliva, però, gli scienziati planetari svilupparono i loro sospetti furtivi che l’acqua potesse avere una fase di ghiaccio superionico. Proprio nel periodo in cui la fase è stata prevista per la prima volta, la sonda Voyager 2 aveva navigato nel sistema solare esterno, scoprendo qualcosa di strano nei campi magnetici dei giganti di ghiaccio Urano e Nettuno.,
I campi attorno agli altri pianeti del sistema solare sembrano essere costituiti da poli nord e sud fortemente definiti, senza molta altra struttura. È quasi come se avessero solo magneti a barre nei loro centri, allineati con i loro assi di rotazione. Gli scienziati planetari attribuiscono questo a “dynamos”: regioni interne in cui i fluidi conduttivi si alzano e ruotano mentre il pianeta ruota, facendo germogliare enormi campi magnetici.
Al contrario, i campi magnetici emanati da Urano e Nettuno sembravano più grumosi e complessi, con più di due poli., Inoltre, non si allineano più strettamente alla rotazione dei loro pianeti. Un modo per produrre questo sarebbe quello di confinare in qualche modo il fluido conduttore responsabile della dinamo in un sottile guscio esterno del pianeta, invece di lasciarlo raggiungere nel nucleo.
Ma l’idea che questi pianeti potessero avere nuclei solidi, che non sono in grado di generare dinamo, non sembrava realistica. Se forato in questi giganti di ghiaccio, ci si aspetterebbe di incontrare prima uno strato di acqua ionica, che fluirebbe, condurre correnti e partecipare a una dinamo., Ingenuamente, sembra che anche il materiale più profondo, a temperature ancora più calde, sarebbe anche un fluido. ” Facevo sempre battute sul fatto che non c’è modo che gli interni di Urano e Nettuno siano in realtà solidi”, ha detto Sabine Stanley alla Johns Hopkins University. “Ma ora si scopre che potrebbero effettivamente essere.”
Ice on Blast
Ora, finalmente, Coppari, Millot e il loro team hanno riunito i pezzi del puzzle.
In un esperimento precedente, pubblicato lo scorso febbraio, i fisici hanno costruito prove indirette per il ghiaccio superionico., Hanno spremuto una goccia d’acqua a temperatura ambiente tra le estremità appuntite di due diamanti tagliati. Con il tempo la pressione aumentata di circa un gigapascal, circa 10 volte che in fondo alla fossa delle Marianne, l’acqua si era trasformata in un quadrangolare di cristallo di ghiaccio VI. Da circa 2 gigapascals, aveva acceso in ghiaccio VII, più densa, forma cubica trasparente ad occhio nudo, che gli scienziati hanno recentemente scoperto che esiste anche in piccole tasche all’interno di diamanti naturali.,
Quindi, utilizzando il laser OMEGA presso il Laboratorio per l’energetica Laser, Millot e colleghi hanno preso di mira l’ice VII, ancora tra incudini diamantate. Quando il laser ha colpito la superficie del diamante, ha vaporizzato il materiale verso l’alto, facendo oscillare efficacemente il diamante nella direzione opposta e inviando un’onda d’urto attraverso il ghiaccio. La squadra di Millot ha trovato il loro ghiaccio super-pressurizzato fuso a circa 4.700 gradi Celsius, circa come previsto per il ghiaccio superionico, e che ha condotto l’elettricità grazie al movimento di protoni carichi.,
Con quelle previsioni sulle proprietà di massa del ghiaccio superionico stabilizzate, il nuovo studio guidato da Coppari e Millot ha fatto il passo successivo per confermare la sua struttura. ” Se vuoi davvero dimostrare che qualcosa è cristallino, allora hai bisogno di diffrazione a raggi X”, ha detto Salzmann.
Il loro nuovo esperimento ha saltato del tutto il ciem VI e VII. Invece, la squadra ha semplicemente distrutto l’acqua con esplosioni laser tra incudini diamantate., Miliardesimi di secondo più tardi, mentre le onde d’urto si increspavano e l’acqua iniziava a cristallizzare in cubetti di ghiaccio di dimensioni nanometriche, gli scienziati hanno utilizzato altri 16 raggi laser per vaporizzare una sottile scheggia di ferro accanto al campione. Il plasma caldo risultante inondato l’acqua cristallizzante con raggi X, che poi diffratta dai cristalli di ghiaccio, permettendo al team di discernere la loro struttura.
Gli atomi nell’acqua si erano riorganizzati nell’architettura a lungo prevista ma mai vista prima, Ice XVIII: un reticolo cubico con atomi di ossigeno ad ogni angolo e al centro di ogni faccia., ” È un bel passo avanti”, ha detto Coppari.
“Il fatto che l’esistenza di questa fase non sia un artefatto delle simulazioni dinamiche molecolari quantistiche, ma sia reale, è molto confortante”, ha detto Bove.
E questo tipo di controllo incrociato di successo dietro simulazioni e ghiaccio superionico reale suggerisce che il “sogno” finale dei ricercatori di fisica dei materiali potrebbe essere presto a portata di mano., “Mi dici quali proprietà vuoi in un materiale, e andremo al computer e capiremo teoricamente quale materiale e quale tipo di struttura cristallina avresti bisogno”, ha detto Raymond Jeanloz, membro del team discovery con sede all’Università della California, Berkeley. “La comunità in generale si sta avvicinando.”
Le nuove analisi suggeriscono anche che sebbene il ghiaccio superionico conduca un po ‘ di elettricità, è un solido pastoso. Sarebbe fluire nel tempo, ma non veramente churn., All’interno di Urano e Nettuno, quindi, gli strati fluidi potrebbero fermarsi a circa 8.000 chilometri verso il basso nel pianeta, dove inizia un enorme mantello di ghiaccio lento e superionico come la squadra di Millot prodotta. Ciò limiterebbe la maggior parte dell’azione della dinamo a profondità inferiori, rappresentando i campi insoliti dei pianeti.
Altri pianeti e lune nel sistema solare probabilmente non ospitano i giusti punti dolci interni di temperatura e pressione per consentire il ghiaccio superionico. Ma molti esopianeti giganti di ghiaccio potrebbero, suggerendo che la sostanza potrebbe essere comune all’interno di mondi ghiacciati in tutta la galassia.,
Certo, però, nessun pianeta reale contiene solo acqua. I giganti di ghiaccio nel nostro sistema solare si mescolano anche in specie chimiche come metano e ammoniaca. La misura in cui il comportamento superionico si verifica effettivamente in natura “dipenderà dal fatto che queste fasi esistano ancora quando mescoliamo l’acqua con altri materiali”, ha detto Stanley. Finora, questo non è chiaro, anche se altri ricercatori hanno sostenuto che dovrebbe esistere anche l’ammoniaca superionica.,
Oltre ad estendere la loro ricerca ad altri materiali, il team spera anche di continuare ad azzerare la strana, quasi paradossale dualità dei loro cristalli superionici. Basta catturare il reticolo di atomi di ossigeno “è chiaramente l’esperimento più impegnativo che abbia mai fatto”, ha detto Millot. Non hanno ancora visto il flusso spettrale e interstiziale di protoni attraverso il reticolo. “Tecnologicamente non ci siamo ancora”, ha detto Coppari, ” ma il campo sta crescendo molto velocemente.”