Sapere Scienza

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Scoperto nuovo stato dell'acqua, solida e liquida nello stesso momento

28 Febbraio 2018

È acqua che si presenta in forma liquida e solida contemporaneamente e il suo stato è detto superionico. La sua esistenza è stata dimostrata sperimentalmente e i risultati di questa ricerca sono ora pubblicati su Nature Physics. Questo nuovo stato della materia era già stato ipotizzato dai ricercatori italiani circa 30 anni fa ma, solo ora, le simulazioni computerizzate hanno potuto avere conferma.

 

I modelli teorici del 1999

 

Negli anni Ottanta un gruppo di ricercatori italiani della SISSA - Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati e dell’ICTP - International Centre for Theoretical Physics, in collaborazione con il Max-Planck Institute di Stoccarda, aveva descritto per la prima volta la fase superionica, riuscendo a pubblicare i propri risultati su Science, nel 1999. Erio Tosatti, uno degli autori di questo studio, ha spiegato nel comunicato stampa ufficiale: “Il nuovo risultato sperimentale è un'ulteriore prova che il modello teorico che avevamo definito parecchi anni fa era in grado, nonostante le allora limitate risorse computazionali, di predire molto bene situazioni fisiche che erano difficili da riprodurre in laboratorio”.

 

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L’acqua e i suoi stati

 

Poche settimane fa i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory e della University of California di Berkeley sono riusciti a ricreare in laboratorio le condizioni di temperatura e pressione in cui si può osservare acqua nello stato superionico. Facciamo un passo indietro per capire meglio questa scoperta. L’acqua è composta di molecole aventi due atomi di idrogeno strettamente legati a uno di ossigeno, che si dispongono a formare una struttura a V. L’acqua, sulla Terra, esiste in tre stati della materia: liquido, gassoso e solido. Nel primo caso le molecole sono libere da qualsiasi vincolo mentre negli altri due sono legate da interazioni più o meno forti che ne determinano le proprietà. Nel caso dell’acqua solida, il ghiaccio, si viene a formare un reticolo cristallino in cui tutti gli atomi sono fermi in una precisa posizione.

 

 

 

Portando l’acqua ad alte temperature e alte pressioni, la ritroveremo in un altro stato, sinora solo ipotizzato per questa sostanza. È lo stato superionico, in cui l’acqua è sia solida sia liquida: gli atomi di ossigeno rimangono fissi mentre quelli di idrogeno sono liberi di fluire. Infatti, da un lato il calore indebolisce i legami tra ossigeno e idrogeno, dall’altro l’alta pressione blocca gli atomi di ossigeno in un allineamento di tipo cristallino.

 

Dalle applicazioni tecnologiche all’astronomia

 

Stiamo parlando di un solido in cui fluiscono delle cariche elettriche positive (gli atomi di idrogeno). Dal punto di vista delle applicazioni tecnologiche, riuscire a ricreare lo stato superionico in condizioni meno proibitive porterebbe alla realizzazione di batterie ideali, con cariche che si muovono liberamente all’interno di una struttura solida, proprio come ha sottolineato Sandro Scandolo, un altro degli autori della pubblicazione del 1999. Inoltre, queste condizioni estreme, inesistenti in natura sulla Terra, potrebbero però esserci su pianeti quali Urano e Nettuno e, come affermato nell’articolo del New York Times dedicato a questa scoperta, lo stato superionico dell’acqua - presente nei loro mantelli - potrebbe spiegare la presenza di campi magnetici asimmetrici in questi due corpi celesti.

 

Troverete strutture cristalline e matematica nell’articolo "Il matematico nell'irrazionale regno dei cristalli" di Sandra Lucente, sul numero di dicembre di Sapere.

copertina   settembre-ottobre 2018

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