L’ acqua superionica solida e liquida allo stesso tempo

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A quasi vent'anni dalla previsione teorica, una ricerca ha confermato sperimentalmente l'esistenza di una fase dell'acqua che si forma in condizioni di temperatura e di pressione estreme, come quelle presenti all'interno dei pianeti quali Urano o Nettuno.



Ci sono voluti quasi vent’anni, ma alla fine l’esistenza dell’acqua superionica è stata confermata sperimentalmente grazie a uno studio pubblicato su “Nature Physics” da ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory e dell'Università della California a Berkeley. Questa fase dell'acqua solida e liquida allo stesso tempo era stata infatti prevista per via teorica da una collaborazione tra SISSA di Trieste, “Abdus Salam” International Centre for Theoretical Physics (ICTP), sempre di Trieste, Max-Planck-Institut in un articolo pubblicato su “Science” nel 1999.

"Siamo stati i primi a confermare l'esistenza di questa fase superionica attraverso simulazioni realmente avanzate all'epoca", ha spiegato Erio Tosatti, uno degli autori dello studio pubblicato quasi vent'anni fa, attualmente professore emerito della SISSA e vice-direttore del gruppo di materia condensata dell'ICTP. "Il risultato sperimentale è un'ulteriore prova del fatto che il modello teorico che avevamo definito molti anni fa era in grado, nonostante le limitate risorse computazionali, di prevedere situazioni fisiche difficili da riprodurre in laboratorio".

"Grazie a questo studio, possiamo rivendicare l'esistenza di questo stato superionico molto prima della conferma sperimentale, è stato un vero traguardo. Le prove hanno confermato che quei modelli funzionano eccezionalmente bene", ha aggiunto Sandro Scandolo, senior research scientist dell'ICTP e coautore del vecchio lavoro.
L’acqua superionica non esiste normalmente sulla Terra ma potrebbe essere comune all’interno di pianeti molto massicci del sistema solare, per esempio Urano o Nettuno, in condizioni di pressione e temperatura elevatissime. Le stesse condizioni che sono state ricreate dai ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory e che alterano la struttura dell’acqua così come la conosciamo, formata da un atomo di ossigeno legato a due atomi di idrogeno.

Il calore infatti indebolisce questi legami chimici e all'aumentare della pressione l'acqua molecolare si trasforma in una sorta di "zuppa" di ioni idrogeno (sostanzialmente protoni) e ioni ossigeno, entrambi dotati di carica positiva (provengono infatti da atomi neutri privati di elettroni). A pressioni ancora più estreme, gli ioni ossigeno si "bloccano" in un reticolo cristallino (come in un metallo solido, per esempio) mentre ioni idrogeno possono muoversi gli uni rispetto agli altri (come in un liquido). Da qui la classificazione dell'acqua come "superionica".
Questa struttura ibrida è anche responsabile del comportamento elettrico dell'acqua superionica, che è un conduttore, non un isolante come l'acqua pura. A condurre l'elettricità non sono gli elettroni, come avviene normalmente nei conduttori, ma i protoni, cioè le cariche elettriche positive.

"Lo studio su 'Nature Physics' è di grande importanza” ha sottolineato Scandolo: “Il risultato è stato reso possibile da giganteschi sviluppi in questo campo, anche in termini di tecnologie sperimentali all'avanguardia e strutture costruite negli Stati Uniti". Il ricercatore ha anche aggiunto che "se dovessimo ricreare questa configurazione in condizioni meno proibitive, avremmo una batteria ideale, con cariche che si muovono liberamente all'interno di una solida struttura meccanica".

Il risultato sperimentale è prezioso anche per elaborare nuovi modelli dell’interno dei pianeti che fanno parte del sistema solare, perché finora non è possibile chiarire se contenga acqua liquida, solida o superionica.

Questa ultima eventualità farebbe un'enorme differenza, perché influenzerebbe i fenomeni convettivi in questi pianeti, ma anche le loro proprietà termiche e meccaniche, di cui sappiamo poco; per ora infatti gli scienziati si basano su informazioni e modelli che provengono dalla fisica dei materiali.

“Lo studio dimostra che i calcoli e le simulazioni teoriche che sviluppiamo in questo campo non solo sono cruciali per prevedere situazioni fisiche estreme come quelle che troveremmo al centro della Terra o di altri pianeti, molto difficili da riprodurre sperimentalmente, ma sono anche strumenti ideali per modellizzare e cercare nuovi materiali con applicazioni originali e imprevedibili”, ha concluso Scandolo.

Fonte: lescienze.it
Fonte IGM: independent.co.uk ; lescienze.it
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