Nel cuore dei giganti ghiacciati del Sistema Solare, dove le pressioni raggiungono milioni di atmosfere e le temperature si spingono oltre i tremila gradi Celsius, l'acqua assume una forma che sfida le nostre concezioni ordinarie. Sotto queste condizioni estreme, l'ossigeno si cristallizza in una struttura rigida mentre gli ioni di idrogeno si muovono liberamente attraverso il reticolo, creando un materiale che è contemporaneamente solido e conduttore di elettricità: l'acqua superionica. Questa fase esotica della materia potrebbe essere la forma dominante di acqua nell'universo, eppure fino ad oggi la sua struttura atomica è rimasta avvolta nel mistero. Una nuova ricerca condotta presso le più avanzate sorgenti laser a raggi X del mondo ha finalmente svelato la complessità nascosta di questo stato straordinario.
Le teorie precedenti ipotizzavano che gli atomi di ossigeno nell'acqua superionica si disponessero secondo configurazioni cubiche semplici: o una struttura cubica a corpo centrato, con un atomo aggiuntivo al centro del cubo, o una cubica a facce centrate, con atomi posizionati al centro di ciascuna faccia. Le nuove misurazioni hanno invece rivelato uno scenario molto più articolato. Gli atomi di ossigeno formano una struttura ibrida che combina regioni cubiche a facce centrate con strati impacchettati esagonalmente, dove gli atomi si dispongono in configurazioni esagonali ripetitive e densamente impilate. L'incontro tra queste due geometrie genera un disordine strutturale diffuso: invece di un reticolo cristallino ordinato e regolare, emerge una sequenza irregolare e complessa.
Per catturare questa architettura atomica sfuggente, i ricercatori hanno condotto due esperimenti paralleli utilizzando le infrastrutture scientifiche più potenti attualmente disponibili. Il primo esperimento è stato realizzato presso lo strumento Matter in Extreme Conditions (MEC) del laboratorio LCLS negli Stati Uniti, mentre il secondo ha impiegato il dispositivo HED-HIBEF dell'European XFEL. Grazie ai laser a raggi X di ultima generazione, gli scienziati hanno potuto comprimere campioni di acqua a pressioni superiori a 1,5 milioni di atmosfere e riscaldarli a diverse migliaia di gradi Celsius, acquisendo istantanee della struttura atomica in intervalli di tempo dell'ordine dei trilionesimi di secondo.
Questa capacità di osservazione ultraveloce è stata determinante per identificare il disordine strutturale, un fenomeno che solo le tecniche più sofisticate possono rilevare. I risultati sperimentali concordano strettamente con le simulazioni computazionali più avanzate, confermando che l'acqua superionica può esistere in molteplici forme strutturali, analogamente al ghiaccio ordinario che presenta numerose fasi cristalline diverse a seconda di temperatura e pressione. L'acqua, nonostante la sua apparente semplicità molecolare, continua a manifestare comportamenti sorprendenti quando sottoposta a condizioni estreme.
Le implicazioni di questa scoperta si estendono ben oltre la fisica fondamentale. La presenza di acqua superionica potrebbe spiegare le anomalie nei campi magnetici di Urano e Nettuno, i giganti ghiacciati del nostro Sistema Solare. Le osservazioni astronomiche mostrano che questi pianeti generano campi magnetici insoliti, disallineati rispetto all'asse di rotazione e caratterizzati da strutture multiple. Tali peculiarità sono difficili da giustificare con i modelli magnetici convenzionali, ma diventano comprensibili se si ipotizza che l'acqua superionica, grazie alla sua eccezionale conducibilità elettrica, costituisca uno strato significativo nell'interno planetario.
La ricerca è stata sostenuta da una collaborazione internazionale che ha coinvolto la German Research Foundation (DFG) e l'agenzia francese ANR, con il contributo di oltre sessanta scienziati provenienti da istituti europei e statunitensi. Questo sforzo collettivo riflette l'importanza crescente attribuita allo studio delle condizioni estreme, un campo che interseca fisica della materia condensata, astrofisica e scienza planetaria. La capacità di riprodurre in laboratorio ambienti analoghi a quelli presenti nell'interno dei pianeti rappresenta un traguardo tecnologico straordinario, reso possibile dai progressi nella tecnologia dei laser a elettroni liberi.
I modelli teorici sulla formazione e l'evoluzione dei giganti ghiacciati possono ora essere raffinati integrando queste nuove informazioni strutturali. Comprendere come l'acqua si comporta sotto pressioni e temperature planetarie consente di simulare con maggiore accuratezza la dinamica interna di questi corpi celesti, il loro raffreddamento nel corso di miliardi di anni e la generazione dei loro campi magnetici. Dato che i pianeti simili a Nettuno e Urano appaiono comuni attorno ad altre stelle, l'acqua superionica potrebbe essere uno degli stati della materia più diffusi nell'universo osservabile.
Restano aperte numerose domande. Gli scienziati stanno ora lavorando per determinare se esistano ulteriori varianti strutturali dell'acqua superionica a pressioni ancora più elevate o con diversi rapporti tra temperatura e pressione. Inoltre, sarà fondamentale chiarire come il disordine strutturale influenzi le proprietà di trasporto elettrico e termico, parametri essenziali per modellare accuratamente la convezione e la geodinamo nei pianeti giganti. Esperimenti futuri presso le nuove generazioni di laser a raggi X e gli avanzamenti nelle simulazioni computazionali promettono di svelare ulteriori segreti di questa fase straordinaria dell'acqua, confermando che anche la sostanza più familiare conserva ancora misteri profondi quando sottoposta a condizioni estreme.
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