La scoperta di una nuova forma cristallina dell'acqua segna un traguardo straordinario nella fisica delle alte pressioni e apre scenari inediti per comprendere gli ambienti estremi presenti nelle profondità dei mondi ghiacciati del Sistema Solare. Un team internazionale guidato dal Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) ha identificato per la prima volta il Ghiaccio XXI, la ventunesima struttura cristallina dell'acqua, osservando transizioni di fase ultrarapide a temperatura ambiente sotto pressioni superiori ai 2 gigapascal (GPa). I risultati, pubblicati sulla prestigiosa rivista Nature Materials, rappresentano il culmine di un secolo di ricerche sulle forme polimorfe del ghiaccio e introducono una metodologia rivoluzionaria per studiare la materia condensata in condizioni estreme.
L'acqua solidifica convenzionalmente quando la temperatura scende sotto lo zero Celsius, ma la cristallizzazione può essere indotta anche applicando pressione elevata, mantenendo il sistema a temperatura ambiente o addirittura superiore al punto di ebollizione. Oltre 0,96 GPa a temperatura ambiente, l'acqua si trasforma spontaneamente in Ghiaccio VI, una delle numerose fasi cristalline identificate variando pressione e temperatura. Negli ultimi cento anni, gli scienziati hanno catalogato venti fasi cristalline distinte del ghiaccio, distribuite su un intervallo termico superiore a 2.000 Kelvin e pressioni che superano i 100 GPa. La regione compresa tra la pressione atmosferica e 2 GPa è considerata una delle più complesse del diagramma di fase dell'acqua, dove si concentrano oltre dieci strutture cristalline differenti, ciascuna caratterizzata da una peculiare organizzazione dei legami idrogeno tra le molecole.
Il gruppo di metrologia spaziale del KRISS è riuscito a creare uno stato liquido supercompresso, mantenendo l'acqua fluida a temperatura ambiente nonostante una pressione superiore al doppio di quella normalmente necessaria per la cristallizzazione. Questo risultato è stato reso possibile grazie allo sviluppo di una cella a incudine di diamante dinamica (dDAC), uno strumento innovativo progettato internamente al KRISS. Le celle a incudine di diamante convenzionali aumentano la pressione mediante la rotazione di viti, un processo che richiede decine di secondi e introduce inevitabili gradienti di pressione e disturbi meccanici che favoriscono la nucleazione prematura. La dDAC del KRISS riduce drasticamente questi problemi, comprimendo il campione in soli 10 millisecondi grazie all'uso di attuatori piezoelettrici, minimizzando gli shock meccanici e permettendo di spingere l'acqua profondamente nel regime di pressione del Ghiaccio VI mantenendola liquida.
La caratterizzazione strutturale del nuovo polimorfo è stata condotta presso l'European XFEL, il più potente laser a elettroni liberi a raggi X al mondo, situato in Germania. Operando in collaborazione con il centro di ricerca DESY e un consorzio internazionale di trentatré ricercatori provenienti da Corea del Sud, Germania, Giappone, Stati Uniti e Regno Unito, il team guidato dal dottor Lee Geun Woo ha monitorato la cristallizzazione dell'acqua supercompressa con risoluzione temporale nell'ordine dei microsecondi. Questa precisione senza precedenti ha permesso di catturare transizioni di fase estremamente rapide, rivelando percorsi di cristallizzazione complessi e precedentemente sconosciuti a temperatura ambiente. Le osservazioni hanno documentato ripetuti cicli di congelamento e fusione dell'acqua, fenomeni che avvengono su scale temporali dell'ordine del milionesimo di secondo.
L'analisi cristallografica ha rivelato che il Ghiaccio XXI presenta una cella unitaria insolitamente grande e complessa rispetto alle altre fasi note. La geometria del cristallo è caratterizzata da un reticolo rettangolare appiattito in cui i due spigoli di base possiedono lunghezza identica, una configurazione strutturale che distingue questa fase dalle venti precedentemente identificate. La distorsione e riorganizzazione della rete di legami idrogeno durante la transizione di fase genera una varietà di disposizioni molecolari che dipendono criticamente dalle condizioni di pressione e temperatura. Comprendere in dettaglio questi riordinamenti molecolari e sviluppare la capacità di controllarli in condizioni estreme potrebbe aprire la strada alla sintesi di materiali completamente nuovi, privi di equivalenti naturali sulla Terra.
Il progetto è stato finanziato dal National Research Council of Science & Technology (NST) nell'ambito del programma di sviluppo di materiali e tecnologie di misurazione per motori a razzo ad altissima temperatura. Il team del KRISS ha incluso i dottori Jin Kyun Kim e Yong-Jae Kim come co-primi autori, insieme alla dottoressa Yun-Hee Lee, scienziata ricercatrice principale, che ha sottolineato le implicazioni astrobiologiche della scoperta. La densità del nuovo polimorfo è infatti comparabile a quella degli strati interni delle lune ghiacciate del Sistema Solare esterno, come Europa, Encelado e Titano, ambienti considerati potenzialmente abitabili e oggetto di intense campagne di esplorazione spaziale da parte della NASA e dell'ESA.
Il dottor Lee Geun Woo, autore corrispondente dello studio e principal investigator del progetto, ha evidenziato l'importanza metodologica dell'approccio sviluppato: combinando la tecnologia dDAC sviluppata internamente con le capacità di indagine ultraveloce dell'European XFEL, è stato possibile catturare istanti fugaci che rimanevano inaccessibili con gli strumenti convenzionali. Questa sinergia tra metrologia di precisione e sorgenti di radiazione sincrotrone di ultima generazione promette di estendere le frontiere della ricerca verso regimi di pressione ancora più elevati e condizioni termodinamiche estreme. Le prospettive future includono l'esplorazione sistematica di altre regioni inesplorate del diagramma di fase dell'acqua, la caratterizzazione della dinamica di cristallizzazione su scale temporali ancora più brevi e l'applicazione di queste tecniche allo studio di altri sistemi molecolari complessi. La comprensione dei processi che governano le transizioni di fase dell'acqua sotto condizioni estreme non solo arricchisce la fisica fondamentale della materia condensata, ma fornisce anche strumenti essenziali per interpretare la struttura interna e l'evoluzione geologica dei corpi planetari ghiacciati, contribuendo alla ricerca di ambienti potenzialmente favorevoli all'emergere della vita oltre la Terra.