L’acqua viene schiacciata tra due diamanti. La pressione sale a 20.000 volte quella atmosferica in dieci millisecondi. Un laser a raggi X cattura un milione di immagini al secondo. E succede qualcosa di strano: l’acqua diventa solida. A temperatura ambiente. Non dovrebbe, ma lo fa.
Si chiama ice XXI, ghiaccio XXI ed è, giustappunto, la ventunesima fase del ghiaccio che conosciamo. Una struttura cristallina tetragonale con 152 molecole d’acqua per unità ripetuta. Niente di simile era mai stato osservato prima. I ricercatori del Korea Research Institute of Standards and Science l’hanno scoperto usando l’European XFEL in Germania, il laser a raggi X più potente al mondo. È ghiaccio, ma non come lo conosciamo.
Quando la pressione sostituisce il freddo
Dimenticate il congelatore. Per creare ice XXI serve una cella a incudine di diamante, uno strumento che sfrutta la durezza dei diamanti per generare pressioni mostruose. Lo studio pubblicato su Nature Materials descrive un processo pazzesco: l’acqua viene compressa fino a 2 gigapascal (circa 20.000 volte la pressione atmosferica) in appena 10 millisecondi. Poi la pressione viene rilasciata lentamente, nell’arco di un secondo. Il ciclo si ripete più di mille volte.
Nel frattempo, il fascio di raggi X dell’European XFEL lavora come una telecamera ad altissima velocità: cattura immagini ogni microsecondo, creando un filmato della trasformazione molecolare. È tipo guardare l’acqua decidere cosa vuole diventare da grande, solo che la decisione avviene in una frazione di secondo sotto una pressione che polverizzerebbe qualsiasi cosa non sia un diamante.
Una struttura che non somiglia a nulla
La cosa interessante di ice XXI non è solo che si forma a temperatura ambiente. È che la sua architettura molecolare non assomiglia a nessuna delle altre venti fasi di ghiaccio note. La struttura è tetragonale (tipo un cubo schiacciato) con unità ripetute enormi: ogni cellula contiene 152 molecole d’acqua. Per dare un’idea, il ghiaccio normale (ice I, quello che mettiamo nei drink) ha una struttura esagonale molto più semplice.
Come spiega Geun Woo Lee, fisico del Korea Research Institute e autore principale dello studio: “La compressione rapida dell’acqua le permette di rimanere liquida a pressioni dove dovrebbe già essere cristallizzata in ice VI. La struttura in cui l’H₂O liquido cristallizza dipende dal grado di supercompressione del liquido”.
In pratica, ice XXI è una fase di transizione, un incidente controllato sulla strada che porta l’acqua verso ice VI, una forma esotica di ghiaccio che probabilmente riempie le profondità delle lune ghiacciate come Titano e Ganimede. Serve che l’acqua venga compressa a temperatura ambiente così velocemente da non avere il tempo di organizzarsi nella forma “prevista”. Il risultato è questa configurazione intermedia che persiste giusto il tempo di essere fotografata.
Perché studiare il ghiaccio alieno
La scoperta di ice XXI non è solo un esercizio accademico. Capire come si comporta l’acqua sotto pressioni estreme ci aiuta a immaginare cosa succede all’interno di pianeti e lune ghiacciate. Secondo Rachel Husband, coautrice dello studio e fisica del DESY Center in Germania,
“i nostri risultati suggeriscono che un numero maggiore di fasi di ghiaccio metastabili ad alta temperatura e i relativi percorsi di transizione potrebbero esistere, offrendo potenzialmente nuove intuizioni sulla composizione delle lune ghiacciate”.
Titano, la luna più grande di Saturno, ha un oceano sotterraneo che potrebbe contenere più acqua di tutti gli oceani terrestri messi insieme. Ganimede, luna di Giove, probabilmente nasconde sotto la sua crosta ghiacciata un oceano profondo 100 chilometri. In questi ambienti, la pressione è tale che l’acqua potrebbe assumere configurazioni esotiche come ice VI o, appunto, passare attraverso fasi intermedie come ice XXI.
Il laser che vede l’invisibile
L’European XFEL (X-Ray Free-Electron Laser) ad Amburgo non è un laser qualunque. È una macchina lunga 3,4 chilometri che genera impulsi di raggi X un miliardo di volte più brillanti di quelli prodotti dalle sorgenti convenzionali. Ogni impulso dura qualche femtosecondo (un milionesimo di miliardesimo di secondo) e può catturare processi che avvengono alla scala atomica.
Nel caso di ice XXI, questa velocità è stata cruciale. La trasformazione dell’acqua sotto pressione estrema avviene in una manciata di millisecondi. Senza uno strumento capace di “congelare” il processo fotogramma per fotogramma, sarebbe stato impossibile documentare la formazione di questa fase intermedia. Come abbiamo raccontato in passato per altri stati esotici della materia, le tecnologie di imaging avanzate stanno rivelando fenomeni che fino a pochi anni fa erano solo ipotesi teoriche.
Sakura Pascarelli, direttrice scientifica dell’European XFEL, commenta: “È fantastico vedere un altro grande risultato dalla nostra Water Call, un’iniziativa che invita gli scienziati a proporre studi innovativi sull’acqua. Non vediamo l’ora di assistere a molte altre scoperte entusiasmanti”.
L’acqua è ancora un mistero
Può sembrare assurdo, ma l’acqua (H₂O, due atomi di idrogeno e uno di ossigeno) è una delle sostanze più complesse dell’universo. Nonostante la sua formula chimica semplice, può assumere oltre venti configurazioni solide diverse a seconda di temperatura e pressione. Ogni fase ha proprietà uniche: densità, struttura cristallina, comportamento ottico.
La scoperta di ice XXI suggerisce che potrebbero esistere altre fasi ancora sconosciute, nascoste in angoli del diagramma pressione-temperatura che non abbiamo ancora esplorato. Come dice Geun Woo Lee:
“L’acqua è uno dei materiali più misteriosi dell’universo. Perché due elementi così semplici creano così tanti tipi di fasi diverse? Pensiamo che ci siano ancora fasi cristalline di ghiaccio sconosciute. Quando diciamo sconosciute, intendiamo non ancora scoperte, ma che possono esistere”.
La ricerca continua. Il prossimo passo sarà capire se esistono altre fasi metastabili lungo i percorsi di cristallizzazione dell’acqua, e se queste possono dirci qualcosa di nuovo su come funzionano i mondi ghiacciati del sistema solare.
Finché avremo diamanti abbastanza duri e laser abbastanza veloci, continueremo a spremere l’acqua, anche a temperature ambiente, per vedere cos’altro sa fare.
