Stranamente, la parte solida del pianeta è probabilmente fatta di ghiaccio, la forma cristallina dell'acqua, o H2O, proprio come noi abbiamo sulla Terra. Ma chiunque abbia bevuto una bevanda ghiacciata in un caldo pomeriggio estivo sa quanto velocemente si può sciogliere il ghiaccio. Come fa questo ghiaccio a diventare così caldo, ma rimane il solido ghiaccio di igloo e cocktail?
La verità sta nel mondo strano e quasi incredibile della chimica e della fisica: c'è più di un tipo di ghiaccio, prodotto dallo stesso tipo di acqua che bevi ogni giorno. In realtà, ci sono almeno 17 fasi di ghiaccio che gli scienziati hanno scoperto finora, rendendo il ghiaccio un materiale molto più complicato di quanto chiunque avesse pensato in precedenza.
Gli scienziati stanno ricreando le condizioni per rendere questi tipi insoliti di ghiaccio nei loro laboratori, tra cui il ghiaccio X e XVI - i ghiacci ad alta pressione che gli scienziati credono esistano nel clima infuocato di Gliese 436 b.
L'impressione dell'artista di Gilese 436b con una nuvola di idrogeno simile alla cometa. È raffigurata anche la stella madre, che è una debole nana rossa di nome Gliese 436. L'idrogeno sta evaporando dal pianeta a causa dell'estrema radiazione proveniente dalla stella. (Foto: ESA / Hubble / dominio pubblico)
Si scopre che l'acqua, base dei nostri processi biologici e la forza che sta dietro la vita stessa, non è il tuo fluido tipico, con dozzine di anomalie. "È raro che ci siano così tante fasi", afferma il professore emerito Martin Chaplin, alla London South Bank University. Chaplin studia sistemi acquosi ed è autore del più completo sito web di ghiaccio e acqua fino ad oggi.
Le strane anomalie dell'acqua cominciano con la sua struttura di base: quando le molecole di acqua si collegano, lo fanno con una molecola di idrogeno. Questo legame è così forte che l'acqua ha bisogno di temperature più alte per bollire e sciogliersi di quanto normalmente ci si aspetta dai liquidi, e molto più alta dell'ossigeno o dell'idrogeno da solo. Poiché questi legami possono allungarsi, la distanza tra l'idrogeno e l'ossigeno si riduce quando la temperatura aumenta e la distanza aumenta quando la pressione aumenta.
Un fiocco di neve visto attraverso un microscopio, composto da Ice Ih. (Foto: Michael / WikiCommons CC BY-SA 2.0)
"Questa è una conseguenza del legame dell'idrogeno e della densità relativamente bassa a basse pressioni, consentendo a molte strutture più dense di essere possibili", afferma Chaplin. La struttura cristallina del ghiaccio Ih, il normale ghiaccio "esagonale" con cui entriamo in contatto nei congelatori e sui fiocchi di neve, è anche determinato da questo legame, e nella nostra atmosfera forma un reticolo uniforme e aperto di cristalli esagonali.
Quindi, quando il pianeta Gliese 436 b è sottoposto ad altissima pressione, il ghiaccio scricchiola, le sue molecole si allungano e si compattano in nuove forme, e la sua struttura cristallina emerge totalmente cambiata. Se il ghiaccio X, ad esempio, esiste su questo pianeta caldo come credono gli scienziati, rimane solido comprimendosi per sempre in un reticolo pulito, a forma di rete metallica. Simile a come l'acqua bolle ad una temperatura più bassa in montagna che al livello del mare, ad una temperatura elevata sotto pressione estrema, il ghiaccio X avrà bisogno di una temperatura molto più alta per fondere rispetto a quando si è in atmosfera più leggera della Terra.
La struttura interna di Gliese 436b. (Foto: Dr Jason Wright / WikiCommons)
E questa è solo una strana fase di ghiaccio, tutte uniche. Secondo il sito web di Chaplin, il modello disordinato del ghiaccio VII è probabilmente trovato su "pianeti giganti e lune ghiacciate", le molecole di ghiaccio VI sono allineate in griglie triangolari pulite, e il ghiaccio V ha una struttura molecolare che assomiglia a una scultura giocattolo K'NEX andata sbagliato. Ice III ha una struttura cristallina ondulata e giocosa con molecole che sembrano quasi ballare, mentre il ghiaccio XVI assomiglia a un nido d'ape e può effettivamente contenere e immagazzinare diversi gas. Ghiaccio cubico, chiamato ghiaccio Ic, si forma probabilmente nelle nuvole più alte e fredde dell'atmosfera terrestre, e il suo modello 3D sembra un punto e diamanti tagliati da tavola.
Ricreare questi effetti in laboratorio, come puoi immaginare, è piuttosto coinvolgente. Prima che tutto inizi, gli scienziati del ghiaccio hanno bisogno di condizioni che Chaplin dice che sono difficili da creare. "È difficile produrre acqua veramente pura", dice Chaplin, ed è difficile guardare le molecole stesse. "A basse temperature, i cambiamenti di struttura possono essere molto lenti."
Per studiare queste fasi, gli scienziati frantumano meno di un grammo di ghiaccio in una polvere fine e lo supercool usando azoto liquido. Dopo averlo caricato in una pressa specializzata fatta di materiali non reattivi come l'acciaio al tungsteno oi diamanti, riscaldano lentamente il ghiaccio, grado dopo grado, improvvisamente, il volume del ghiaccio si sposta, rilevato dai sensori. In questo spazio limitato, la posizione delle molecole d'acqua cambia in base alla temperatura e alla pressione esercitate sul ghiaccio. Gli scienziati osservano le molecole usando i raggi X o un processo chiamato cristallografia a neutroni, che usa un piccolo fascio di neutroni per formare un modello rilevabile mentre si sparpagliano intorno alle molecole di ghiaccio, dando un'immagine tridimensionale della molecola.
Struttura del ghiaccio XVI. (Foto: Andrzej Falenty / WikiCommons CC BY 4.0)
Ricreare questi ghiacci in laboratorio è pulito, ma è anche utile per espandere la nostra conoscenza dell'universo naturale. "Probabilmente esistono ioni all'interno di pianeti e lune ad alte pressioni, ed è importante sapere quali sono le loro proprietà ... per capire il comportamento di quei pianeti e lune", dice Chaplin. "Alcuni ghiacci possono formarsi nella lavorazione ad alta pressione di materiali e alimenti sulla Terra."
I ghiacci ad alta pressione possono anche aiutare gli scienziati a esaminare le cellule biologiche; il congelamento ad alta pressione potrebbe impedire al ghiaccio di aumentare il volume e il materiale inquinante durante il congelamento, mantenendo intatte le cellule organiche delicate. Alcuni hanno suggerito che il ghiaccio XVI potrebbe essere usato per rimuovere il gas metano, che produce calore, da sotto il fondo del mare profondo, e sostituirlo con CO2 meno dannosa.
Dopo aver studiato a fondo le strutture del ghiaccio, Chaplin ha effettivamente previsto una nuova fase di ghiaccio sette anni prima che fosse scoperto nel 2007, chiamato accatastamento di ghiaccio disordinato. "Una notte, mentre stavo sonnecchiando, nel cuore della notte, mi sono reso conto che questa struttura mista di ghiaccio cubico ed esagonale poteva essere piegata in strutture sferiche (in realtà icosaedriche) che potevano spiegare molte delle proprietà inspiegabili, fino ad allora, del liquido acqua ", dice Chaplin, che non ha potuto dormire per tre giorni mentre prevedeva la nuova fase del ghiaccio. Questo ghiaccio forma forme sinuose e tetraedriche e si trova nei cirri alti e nelle scie di aeroplano.
Un diagramma della struttura di Ice XVI. (Foto: Courtesy Martin Chaplain)
Una fase più sinistra di ghiaccio è stata prevista, a livello sensazionale, nella narrativa degli anni '60. Kurt Vonnegut ha scritto nel suo libro Cat's Cradle sul ghiaccio-nove, una sostanza disastrosa in grado di trasformare definitivamente l'intera fornitura d'acqua della Terra in ghiaccio. "Mi piacciono i nove ghiacciati di Vonnegut", dice Chaplin, anche se sul suo sito web, assicura che questa versione fittizia "per fortuna non ha basi scientifiche". (Il vero ghiaccio IX è solo una versione più densa di ghiaccio III, e non può esistere davvero accanto all'acqua liquida, o provocare un'apocalisse ghiacciata).
Gli scienziati stanno ancora scoprendo nuovi tipi di ghiaccio con una certa regolarità, con molte altre probabilità di venire. Nel febbraio 2016, il professore di chimica Xiao Cheng Zeng ha proposto che possa esistere un nuovo ghiaccio VIII a bassa densità (anche se non è stato ancora creato), che potrebbe essere il ghiaccio a densità più bassa che ci sia. Mentre Chaplin dice che non abbiamo ancora la possibilità di trovare alcuni dei ghiacci ad alta pressione estremi, gli scienziati continuano a cercarli.
La prossima volta che crei la tua bevanda ghiacciata preferita solo per guardare con sgomento mentre si scioglie minuti dopo, ricorda che da qualche parte nell'universo, quello stesso ghiaccio avrebbe trovato un modo per stare fresco sotto pressione.
Aggiornamento 3/1: Originariamente ci siamo riferiti a ice-nine, o IX, come IV. Ci dispiace per l'errore.