La dottoressa in fisica Federica Coppari al Lawrence Livermore National Laboratory ha partecipato ad una scoperta estremamente interessante. È infatti stato prodotto per la prima volta il ghiaccio superionico con una combinazione di impulsi laser applicati a un campione di acqua ghiacciata ad alta pressione. L’importante ricerca è stata pubblicata su Nature Physics e noi per capirne al meglio l’importanza abbiamo raggiunto la ricercatrice facendole alcune domande sulle implicazioni dello studio

 

 

Come riescono gli ioni nello stato di superionicità a presentarsi in forma solida?

E’ una competizione tra gli effetti della pressione e della temperatura sulla struttura dell’acqua. Al variare di pressione e temperature la struttura stabile e’ quella che minimizza l’energia interna del sistema, e per l’acqua a ~200 GPa e ~3000 K questa struttura e’ formata da ossigeno allo stato solido e idrogeno, liberi di muoversi come in un liquido.

Come siete riusciti a formare questo stato del ghiaccio? Cosa ti emoziona particolarmente del tuo lavoro a queste temperature estreme?

La fase superionica si manifesta a specifiche condizioni di pressione e temperatura. Per ottenerla abbiamo preso un campione di acqua, l’abbiamo compresso a 2.5 Gpa, usando una cella a incudini di diamante, fino a formare il ghiaccio chiamato Ice VII, che e’ piu’ denso del ghiaccio che abbiamo in frigorifero del 60%. Siamo poi andati a fare i nostri esperimenti di compressione shock all’ Omega Laser Facility al Laboratory for Laser Energetics in Rochester (NY). Qui abbiamo messo la cella a incudini di diamante nella target chamber e abbiamo focalizzato circa 2000 J di energia laser su uno dei diamanti per formare un’onda di shock che si propaga attraverso la cella comprimendo e scaldando l’acqua ulteriormente.

Mi affascina e incuriosisce vedere come le proprietà della materia cambiano sotto l’effetto di pressione e temperatura. In aggiunta le condizioni che riusciamo ad ottenere con la compressione laser sono uniche e molto spesso studiamo la materia in condizioni che non sono mai state riprodotte sperimentalmente. Pensare che in un esperimento che dura qualche nano-secondo si possono ricreare le condizioni esistenti all’interno dei pianeti e’ estremamente emozionante!

 

Qual è il legame tra questo stato della materia e pianeti come Urano e Nettuno?

Nei nostri esperimenti abbiamo osservato la formazione del ghiaccio superionico a pressioni di 100-200 GPa e temperature di 3000-4000 K e secondo modelli di struttura planetaria: queste sono le condizioni che si troverebbero all’interno di Urano e Nettuno, per cui l’”acqua” all’interno di questi pianeti assumerebbe la fase superionica.

 

Quali proprietà e applicazioni ha questo stato del ghiaccio?

Questo stato del ghiaccio non esiste alle condizioni terrestri: siamo riusciti a ricrearlo in laboratorio, ma solo per qualche nanosecondo, quindi e’ difficile pensare a delle applicazioni tecnologiche. Invece, essendo stabile alle condizioni che ci aspettiamo all’interno di Urano e Nettuno, ha delle forti implicazioni per le teorie di formazione e evoluzione di questi pianeti, che invece di avere una struttura interna allo stato fluido, potrebbero essere formati da ghiaccio superionico. Questo potrebbe spiegare le anomalie del campo magnetico osservate per questi due pianeti.

 

Nel vostro team di ricerca quale altro comportamento bizzarro vi aspettate dal ghiaccio?

L’acqua e’ una molecola piu’ complessa di quanto ci si possa aspettare. Ad oggi si conoscono 17 diverse strutture solide che sono stabili a diverse condizioni di pressione e temperatura. La formazione di acqua o ghiaccio superionico e’ un altro esempio di quanto strana questa sostanza possa essere. A pressioni ancora piu’ elevate (dell’ordine del tera-pascal) di quelle esplorate in questo lavoro, studi teorici prevedono che l’acqua assuma delle strutture cristalline estremamente complesse, con densita’ ancora piu’ elevate. Sara’ interessante vedere se gli esperimenti confermano queste previsioni.

 

Lei sta lavorando in uno dei più importanti laboratori del pianeta. Come si trova negli USA, cosa è cambiato per lei rispetto all’Italia?

In California si sta bene e il lavoro che faccio e’ sicuramente emozionante e pieno di sorprese. E’ difficile per me fare un paragone con l’Italia, perche’ essendo partita all’estero subito dopo la tesi di laurea, non ho una vera esperienza lavorativa come ricercatrice in Italia.

Gianluigi Marsibilio
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