29.12.2020 – 14.01 – La Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) di Trieste in collaborazione con il “giuliano” Centro Internazionale di Fisica Teorica Abdus Salam (ICTP) ha appena concluso un nuovo studio sulle proprietà del ghiaccio. Il fragile cristallo potrebbe sembrare a occhio nudo un materiale “ordinato”, ma in realtà la sua struttura interna è assai disordinata. Comprendere come il ghiaccio a temperature estremamente basse mantiene un simile comportamento e perché è così “disordinato” potrebbe permettere di decifrare comportamenti su più vasta scala, dai ghiacciai sulla Terra, al comportamento delle particelle di ghiaccio nello spazio.
Lo studio, condotto con la collaborazione dell’Istituto di Fisica Rosario (IFIR-UNR) e il supporto dell’Istituto Officina dei Materiali del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-IOM), ha permesso inoltre di approfondire una proprietà fondamentale del ghiaccio a basse temperature, la ferroelettricità.
I risultati dello studio sono stati infine pubblicati su “Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS), prestigiosa rivista scientifica statunitense.
“In un blocco di ghiaccio idealmente ordinato, gli atomi di idrogeno di ciascuna
molecola d’acqua dovrebbero puntare tutti nella stessa direzione, come i soldati
di un plotone che guardano tutti avanti” spiega Alessandro Laio, fisico della
SISSA e dell’ICTP.
“Se così fosse, il ghiaccio avrebbe una polarizzazione elettrica macroscopica – sarebbe ferroelettrico. Invece, le molecole d’acqua nel ghiaccio, anche a temperatura molto bassa, si comportano come soldati indisciplinati e guardano tutti in direzioni diverse”.
Questo comportamento anomalo, scoperto sperimentalmente negli anni Trenta del novecento, fu spiegato da Linus Pauling: la mancanza di disciplina è un effetto della ‘regola del ghiaccio’ – ogni atomo di ossigeno può legarsi solo con due atomi di idrogeno per formare una molecola di acqua. Questo vincolo rende il processo di ordinamento a basse temperature infinitamente lento, come se in un plotone ogni soldato con quattro vicini dovesse riordinarsi tenendo sempre le mani sulle spalle di due dei suoi compagni.
“Se non fosse per le impurità o i difetti, che si è scoperto hanno un ruolo fondamentale, ancora oggi non sapremmo se la struttura ordinata e la ferrolettricità del ghiaccio cristallino siano una reale possibilità o pura immaginazione. Infatti, né gli esperimenti né le simulazioni sono stati in grado di dimostrare in ghiaccio privo di difetti questo rallentamento dovuto alla ‘regola del ghiaccio’”, fa notare Erio Tosatti, fisico della SISSA, ICTP e CNR-IOM Democritos.
È invece noto che le impurità, come un idrossido di potassio che sostituisca una molecola d’acqua, sono in grado di rendere il ghiaccio ordinato e ferroelettrico a temperature molto basse, per quanto solo in modo lento e parziale.
Insieme a Jorge Lasave e Sergio Koval dell’IFIR-UNR in Argentina, ambedue seppure in epoche diverse membri associati dell’ICTP, Alessandro Laio and Erio Tosatti hanno sviluppato un modello teorico e una strategia in grado di spiegare il comportamento del ghiaccio puro e drogato.
“Secondo questo modello” spiegano gli scienziati “una volta che si introduce un’impurità nello stato iniziale disordinato di non equilibrio a bassa temperatura, questa impurità dà inizio alla fase ordinata, in un modo tuttavia assai speciale: non tutti i ‘soldati’ attorno all’impurità si girano nella giusta direzione, ma solo quelli davanti o dietro di essa. Così, alla fine, solo una fila di soldati del plotone, una stringa, sarà ordinata”. Questo insolito processo ha molte delle caratteristiche necessarie a spiegare la natura lenta e incompleta dell’ordine ferroelettrico nel ghiaccio impuro.
“Nonostante lo studio si limiti per ora a un pezzo di ghiaccio infinito, senza superfici”, concludono Tosatti e Laio, “il meccanismo che abbiamo identificato si applica probabilmente anche alle superfici. La creazione di stringhe di protoni ordinati a basse temperature potrebbe allora spiegare la debole polarizzazione ferroelettrica locale osservata da tempo, un fenomeno possibilmente coinvolto nel processo di agglomerazione delle particelle di ghiaccio nello spazio interstellare”.
[z.s.]
