Gli scienziati scoprono una nuova forma di ghiaccio: potrebbe essere comune su pianeti lontani e ricchi di acqua

I fisici dell’UNLV hanno aperto la strada a una nuova tecnica di riscaldamento laser in una cella a incudine di diamante (nella foto 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 NLV hanno scoperto una nuova forma di ghiaccio, ridefinendo le proprietà dell’acqua ad alta pressione.

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 che forma carbonio o la grafite. Tuttavia, l’acqua è eccezionale in questo aspetto poiché ci sono almeno 20 forme solide di ghiaccio a noi note.

Un team di scienziati che lavora 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 opposti, 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 che si riformasse rapidamente in una raccolta simile a polvere di minuscoli cristalli.

Aumentando in modo incrementale la pressione e facendola esplodere periodicamente con il raggio laser, il team ha osservato che il ghiaccio d’acqua passa da una fase cubica nota, Ice-VII, alla fase intermedia e tetragonale appena scoperta, Ice-VIIt, prima di depositarsi in un’altra fase nota, Ice-X.

Zach Grande e UNLV Ph.D. studente, ha condotto il lavoro che ha anche dimostrato che il passaggio a Ice-X, quando l’acqua si irrigidisce in modo aggressivo, avviene a pressioni molto più basse di quanto si pensasse in precedenza.

Anche se è improbabile che troveremo questa nuova fase di ghiaccio ovunque sulla superficie terrestre, è probabilmente un ingrediente comune all’interno del 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 riportati nel numero del 17 marzo 2022 della rivista Revisione fisica B.

Asporto

Il team di ricerca ha lavorato per comprendere 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 delle alte pressioni. 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, inclusa la disposizione di recente scoperta, Ice-VIit.

Non solo la prima tecnica di riscaldamento laser nel suo genere 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 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 detto Salamat. “È il pezzo mancante e le misurazioni più precise mai effettuate 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 del ghiaccio Ice-VIIt potrebbe esistere in abbondanza nella crosta e nel mantello superiore dei pianeti ricchi d’acqua previsti al di fuori del nostro sistema solare, il che significa che potrebbero avere condizioni abitabili per la vita.

Riferimento: “Transizioni di simmetria guidate dalla pressione in 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, Revisione fisica B.
DOI: 10.1103 / PhysRevB.105.104109

I collaboratori del Lawrence Livermore National Laboratory hanno utilizzato un grande supercomputer per simulare il riarrangiamento del legame, prevedendo che le transizioni di fase dovrebbero verificarsi esattamente dove sono state misurate dagli esperimenti.

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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