L'acqua solida, o ghiaccio, è come molti altri materiali in quanto può formare diversi materiali solidi in base a condizioni variabili di temperatura e pressione, come il diamante o la grafite che sono formati di carbonio. Tuttavia, l'acqua è eccezionale in questo aspetto in quanto ci sono almeno 20 forme solide di ghiaccio a noi note.
Un team di scienziati che lavorano nel Nevada Extreme Conditions Lab dell'UNLV ha aperto la strada a un nuovo metodo per misurare le proprietà dell'acqua ad alta pressione. Il campione d'acqua è stato prima schiacciato tra le punte di due diamanti rivolti in direzioni opposte, congelandosi in diversi cristalli di ghiaccio confusi. Il ghiaccio è stato quindi sottoposto a una tecnica di riscaldamento laser che lo ha temporaneamente sciolto prima di riformarsi rapidamente in una raccolta di minuscoli cristalli simile alla polvere.
Aumentando in modo incrementale la pressione e facendola periodicamente esplodere con il raggio laser, il team ha osservato che il ghiaccio d'acqua effettua la transizione da una fase cubica nota, Ice-VII, alla fase intermedia e tetragonale appena scoperta, Ice-VIIt, prima di stabilizzarsi in un'altra fase nota, Ice-X.
Zach Grande, uno studente di dottorato dell'UNLV, ha guidato il lavoro che ha anche dimostrato che la transizione a Ice-X, avviene a pressioni molto più basse di quanto si pensasse in precedenza.
Mentre è improbabile che troveremo questa nuova fase di ghiaccio ovunque sulla superficie della Terra, è probabilmente un ingrediente comune all'interno del mantello della Terra, così come nelle grandi lune e nei pianeti ricchi di acqua al di fuori del nostro sistema solare.
I risultati del team sono stati riportati nel numero del 17 marzo 2022 della rivista Physical Review B. Il team di ricerca stava lavorando per capire il comportamento dell'acqua ad alta pressione che potrebbe essere presente all'interno di pianeti lontani.
Per fare ciò, Grande e il fisico dell'UNLV Ashkan Salamat hanno posizionato un campione d'acqua tra le punte di due diamanti a taglio rotondo noti come celle a incudine di diamante, una caratteristica standard nel campo della fisica dell'alta pressione. L'applicazione di un po' di forza ai diamanti ha permesso ai ricercatori di ricreare pressioni alte quanto quelle che si trovano al centro della Terra.
Spremendo il campione d'acqua tra questi diamanti, gli scienziati hanno guidato gli atomi di ossigeno e idrogeno in una varietà di disposizioni diverse, tra cui la disposizione appena scoperta, Ice-VIIt. Non solo la tecnica di riscaldamento laser, prima nel suo genere, ha permesso agli scienziati di osservare una nuova fase di ghiaccio d'acqua, ma il team ha anche scoperto che la transizione a Ice-X si è verificata a pressioni quasi tre volte inferiori a quanto si pensasse in precedenza, a 300.000 atmosfere invece di 1 milione. Questa transizione è stata un argomento molto dibattuto nella comunità per diversi decenni.
"Il lavoro di Zach ha dimostrato che questa trasformazione in uno stato ionico avviene a pressioni molto, molto più basse di quanto si pensasse prima", ha spiegato Salamat. "È il pezzo mancante e le misurazioni più precise di sempre sull'acqua in queste condizioni". Il lavoro ricalibra anche la nostra comprensione della composizione degli esopianeti, ha aggiunto Salamat. I ricercatori ipotizzano che la fase Ice-VIIt del ghiaccio potrebbe esistere in abbondanza nella crosta e nel mantello superiore dei pianeti ricchi d'acqua al di fuori del nostro sistema solare, il che significa che potrebbero avere condizioni abitabili per la vita.