A livello molecolare, il ghiaccio è meno ordinato di quanto si possa pensare, ma si scopre che parte di quell’ordine perduto può essere ripristinato
Foto di Irene McKenna su Unsplash
Il ghiaccio è un materiale meraviglioso con proprietà uniche che ha incuriosito gli esseri umani da tempo immemorabile. A differenza della maggior parte degli altri materiali, la struttura del ghiaccio a temperature molto basse non è disposta come dovrebbe essere. Un recente lavoro pubblicato su PNAS ha fatto nuovi progressi teorici sul motivo per cui ciò è accaduto e sui modi in cui un certo ordine perduto potrebbe essere recuperato.
Il team di scienziati ha descritto una caratteristica relativamente misteriosa ma fondamentale della struttura del ghiaccio a bassissima temperatura: l’energia ferroelettrica. Questi risultati probabilmente si estendono a superfici ghiacciate, una possibilità che potrebbe essere correlata alle particelle di ghiaccio che si aggregano nello spazio interstellare.
“In un pezzo di ghiaccio perfettamente organizzato, gli atomi di idrogeno di ogni molecola d’acqua dovrebbero puntare nella stessa direzione, come i soldati di un plotone che guardano davanti a loro”, spiega Alessandro Laio, fisico e coautore. “Se così fosse, il ghiaccio esibirebbe una polarizzazione elettrica microscopica – sarebbe elettrico ferroso. Invece, le molecole d’acqua nel ghiaccio, anche a temperature molto basse, si comportano come soldati indisciplinati, guardando tutti in direzioni diverse”.
Questo comportamento anomalo, scoperto sperimentalmente negli anni ’30, è immediatamente e notoriamente spiegato da Linus Pauling: La mancanza di disciplina è una conseguenza del vincolo della “ base di ghiaccio ”: ogni atomo di ossigeno in un dato momento dovrebbe possedere solo due protoni e due. Per fare h2O. La difficile mobilità creata da questo vincolo fece sì che il processo di ordinazione diventasse estremamente lento, come in un plotone in movimento in cui ogni soldato aveva quattro vicini e doveva tenere le mani sulle spalle di due di loro.
Se non fosse per le impurità o difetti, che hanno dimostrato di svolgere un ruolo di detective, non si sa ancora fino ad oggi se la disposizione dei protoni e la ferroelettricità del ghiaccio cristallino sciolto sia una possibilità reale o un frutto dell’immaginazione, poiché né esperimenti né simulazioni possono superare il rallentamento cinetico causato dalla regola Ice “, osserva Erio Tossati, capofila del progetto.
Impurità, come la molecola di idrossido di potassio che sostituisce H.2È noto che la molecola O, infatti, consente al processo di disposizione di formare il nucleo e il ghiaccio della trasformazione fotovoltaica ordinata e ferrosa a temperatura molto bassa, sebbene sia parziale e lenta. Si sospettava che dietro il rallentamento di questo processo ci fosse una “base di ghiaccio”, ma non si sapeva esattamente come funzionasse.
Il team ha progettato un modello teorico e una strategia per spiegare il comportamento della struttura del ghiaccio sia pura che drogata. Secondo questo modello, “spiegano gli scienziati”, una volta che l’impurità viene introdotta nello stato iniziale di disturbo sbilanciato a bassa temperatura, agisce come seme per la fase regolata, ma in modo strano: non tutti i “soldati” attorno all’impurità iniziano a guardare nella giusta direzione, ma solo quelli che Davanti o dietro all’impurità. Così, al termine dell’operazione, sarà organizzata solo una serie di soldati all’interno del plotone “. Questo processo molto atipico potrebbe aiutare a spiegare l’inizio lento e incompleto del sistema ferroelettrico nel ghiaccio anestetico reale.
“Sebbene lo studio sia attualmente limitato alla massa di ghiaccio”, hanno concluso Tostate e Laue, “il meccanismo che è stato evidenziato può estendersi alle superfici ghiacciate, dove le catene ordinate di protoni possono formarsi a temperature più basse, il che spiega una piccola quantità nota da allora Un lungo periodo di polarizzazione locale dell’idroelettricità, un fenomeno probabilmente correlato all’aggregazione di particelle di ghiaccio nello spazio interstellare.
Riferimento: J. Lasave et. Il Catene e anelli protonici in un nucleo atipico di ferroelettricità nel ghiaccio, PNAS (2020), DOI: 10.1073 / pnas.2018837118
Comunicato stampa presentato da SISSA
“Ninja appassionato della cultura pop. Fanatico dei viaggi certificato. Introverso. Nerd del web inguaribile. Pioniere malvagio della pancetta. Creatore.”
