Crystallization of pristine cubic ice from liquid at ambient pressure
Questo studio dimostra che il ghiaccio cubico incontaminato (Ic) può essere formato riproducibilmente direttamente dallo stato liquido a pressione atmosferica raffreddando una soluzione acquosa formante idrati confinata all'interno di silice mesoporosa, rivelando che il nanoconfinamento e i promotori di clatrati consentono una via naturalmente accessibile per questo polimorfo precedentemente elusivo.
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L'acqua è una delle sostanze più familiari sulla Terra, eppure nasconde un segreto che ha messo in difficoltà gli scienziati per decenni. Quando l'acqua congela, di solito si trasforma in un cristallo con una forma specifica e ordinata nota come ghiaccio esagonale. Questo è il ghiaccio che vediamo nei fiocchi di neve, nei ghiacciai e nei nostri congelatori. Tuttavia, le molecole d'acqua possono anche disponersi in una forma diversa e più rara, chiamata ghiaccio cubico. Per molto tempo, gli scienziati hanno dibattuto se questa forma cubica potesse mai apparire naturalmente dall'acqua liquida o se esistesse solo come una miscela fugace e disordinata di forme che si trasformava rapidamente nel comune tipo esagonale. La questione era importante perché, se il ghiaccio cubico puro può formarsi facilmente, potrebbe essere molto più comune nell'atmosfera e nello spazio profondo di quanto chiunque avesse immaginato, cambiando potenzialmente la nostra comprensza dei modelli meteorologici e della composizione delle comete.
Un team di ricercatori ha ora trovato un modo per far apparire questo elusivo ghiaccio cubico direttamente dall'acqua liquida a pressione atmosferica normale, senza la necessità di un freddo estremo o di un'alta pressione. Lo hanno fatto intrappolando una miscela di acqua e un particolare composto organico all'interno di minuscoli fori simili a spugne in un materiale chiamato silice. La silice fune da contenitore con milioni di tunnel microscopici, ciascuno largo circa 3,7 nanometri. All'interno di questi tunnel, i ricercatori hanno posto una miscela liquida di acqua e tetraidrofurano, un composto chimico noto per aiutare la formazione di strutture a gabbia con le molecole d'acqua. Quando hanno raffreddato questa miscela intrappolata fino a 150 Kelvin, l'acqua si è congelata.
I risultati sono stati chiari e riproducibili. Utilizzando uno strumento potente che spara neutroni sul campione per vedere come sono disposti gli atomi, i ricercatori hanno osservato che l'acqua si era trasformata in ghiaccio cubico puro e incontaminato. Questa non era una miscela disordinata di forme; era una struttura cristallina singola e uniforme. L'esperimento ha dimostrato che questa trasformazione avveniva in modo affidabile quando il liquido occupava tra 0,34 e 0,60 centimetri cubi di spazio per ogni grammo di silice. Fondamentalmente, i ricercatori hanno dimostrato che il ghiaccio cubico si formava solo grazie alla combinazione dei minuscoli tunnel e della presenza del tetraidrofurano. Quando hanno eseguito esperimenti di controllo utilizzando acqua pura o un diverso composto chimico che non forma gabbie, l'acqua si è congelata nella comune forma esagonale o in una miscela disordinata, mai nella forma cubica pura.
Lo studio ha anche rivelato cosa accade alle parti della miscela che non congelano. Mentre l'acqua al centro dei tunnel si è trasformata in ghiaccio cubico, un sottile strato di liquido vicino alle pareti del tunnel è rimasto non congelato, trasformandosi in uno stato vetroso e non cristallino. Questo strato vetroso contiene le molecole di tetraidrofurano, che sembrano interagire con la superficie della silice e impediscono al ghiaccio di formarsi lì. Questa separazione suggerisce che le molecole organiche svolgano un ruolo diretto nel guidare le molecole d'acqua verso la forma cubica. I ricercatori hanno misurato la temperatura alla quale questo ghiaccio confinato fonde e hanno trovato che è di 230 Kelvin, il che è coerente con il comportamento del ghiaccio in spazi così piccoli.
Questa scoperta suggerisce che il ghiaccio cubico non è solo una curiosità di laboratorio, ma una forma stabile di acqua che può esistere in condizioni presenti in natura. L'allestimento utilizzato nell'esperimento imita gli ambienti in cui l'acqua potrebbe essere intrappolata su minuscole particelle di polvere nell'atmosfera o nei grani ghiacciati delle comete. In questi luoghi, le molecole organiche e la polvere minerale spesso coesistono, creando esattamente le condizioni utilizzate dai ricercatori per far crescere il ghiaccio. Le scoperte sfidano l'idea che il ghiaccio nell'alta atmosfera o nello spazio sia principalmente una miscela disordinata di forme. Al contrario, suggeriscono che il ghiaccio cubico puro potrebbe essere la forma primaria in questi contesti, formandosi direttamente dall'acqua liquida quando sono presenti gli ingredienti giusti. Dimostrando che questo processo funziona a pressione normale e temperature relativamente alte per il ghiaccio, lo studio apre una nuova strada per comprendere come l'acqua si comporta negli angoli più estremi e lontani del nostro universo.
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