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Gli scienziati scoprono una nuova forma di ghiaccio, forse comune su pianeti lontani e ricchi d’acqua

Riscaldamento laser in cella ad incudine diamantata

I fisici dell’UNLV hanno sperimentato una nuova tecnica di riscaldamento laser in una cella a incudine di diamante (mostrata qui) come parte della loro scoperta di una nuova forma di ghiaccio. Credito: Chris Higgins

I risultati potrebbero avere implicazioni per la nostra comprensione di pianeti lontani e ricchi di acqua.

I ricercatori della NLV hanno scoperto una nuova forma di ghiaccio che sta ridefinendo le proprietà dell’acqua ad alta pressione.

L’acqua solida o il ghiaccio sono come molti altri materiali in quanto possono formare vari materiali solidi in base a condizioni di temperatura e pressione variabili, come il diamante o la grafite che formano carbonio. Tuttavia, l’acqua è eccezionale in questo senso, poiché siamo a conoscenza di almeno 20 forme solide di ghiaccio.

Un team di scienziati che lavora presso il Nevada Extreme Conditions Lab dell’UNLV ha aperto la strada a un nuovo modo per misurare le proprietà dell’acqua ad alta pressione. Il campione d’acqua è stato prima spremuto tra le punte di due diamanti opposti e congelato 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 un ammasso polveroso di minuscoli cristalli.

Aumentando gradualmente la pressione e irradiando periodicamente il raggio laser, il team ha osservato il ghiaccio d’acqua passare da una fase cubica nota, Ice-VII, alla fase intermedia e tetragonale appena scoperta, Ice-VII, prima di stabilirsi in un altro pozzo- fase nota, Ice-X.

Zach Grande, un dottorato di ricerca UNLV. Studente, ha guidato il lavoro, che ha anche mostrato che quando l’acqua si irrigidisce in modo aggressivo, il passaggio a Ice-X avviene a pressioni molto più basse di quanto si pensasse in precedenza.

Sebbene sia improbabile che troveremo questa nuova fase di ghiaccio ovunque sulla superficie terrestre, è probabile che sia una caratteristica comune nel mantello terrestre, così come nelle grandi lune e nei pianeti ricchi d’acqua al di fuori del nostro sistema solare.

I risultati del team sono stati pubblicati nel numero del 17 marzo 2022 della rivista Controllo fisico B.

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Il team di ricerca ha lavorato per comprendere il comportamento dell’acqua ad alta pressione che potrebbe esistere 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 delle alte pressioni. Applicando un po’ di forza ai diamanti, i ricercatori sono stati in grado di ricreare pressioni alte quanto quelle al centro della Terra.

Spremendo il campione d’acqua tra questi diamanti, gli scienziati hanno disposto gli atomi di ossigeno e idrogeno in una varietà di disposizioni diverse, inclusa la disposizione Ice-VIIt appena scoperta.

Non solo l’esclusiva tecnica di riscaldamento laser ha consentito agli scienziati di osservare una nuova fase del ghiaccio d’acqua, ma il team ha anche scoperto che il passaggio a Ice-X è avvenuto 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 discusso nella comunità per diversi decenni.

“Il lavoro di Zach ha mostrato che questa conversione in uno stato ionico avviene a una pressione molto, molto più bassa di quanto si pensasse prima”, ha detto Salamat. “È il pezzo mancante e le misurazioni più accurate mai viste sull’acqua in queste condizioni”.

Il lavoro ricalibra anche la nostra comprensione della composizione degli esopianeti, ha aggiunto Salamat. I ricercatori suggeriscono che la fase Ice VIIt del ghiaccio nella crosta e nel mantello superiore dei pianeti attesi ricchi d’acqua al di fuori del nostro sistema solare potrebbe essere in abbondanza, il che significa che potrebbero avere condizioni vitali.

Riferimento: “Transizioni di simmetria attivate dalla pressione in denso H2O ice” di Zachary M Grande, C Huy Pham, Dean Smith, John H Boisvert, Chenliang Huang, Jesse S Smith, Nir Goldman, Jonathan L Belof, Oliver Tschauner, Jason H Steffen e Ashkan Salamat, 17 marzo 2022, Controllo fisico B.
DOI: 10.1103/PhysRevB.105.104109

I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory hanno utilizzato un grande supercomputer per simulare il riarrangiamento dei legami e hanno previsto che le transizioni di fase dovrebbero verificarsi esattamente dove gli esperimenti le hanno misurate.

Altri collaboratori includono i fisici dell’UNLV Jason Steffen e John Boisvert, il mineralogista dell’UNLV Oliver Tschauner e gli scienziati dell’Argonne National Laboratory e dell’Università dell’Arizona.

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