Una fase superionica dell’acqua potrebbe essere diffusa su Nettuno e Urano

AUSTRALIA – Mentre tutti conoscono l’acqua nello stato liquido, ghiacciato, e nelle fasi gassose, meno noto è il fatto che l’acqua può anche esistere in molti altri stati, a diversi livelli di temperatura e di pressione. Poco conosciuta è la fase superionica, che si presenta in uno stato identico al ghiaccio, ma che può esistere anche in uno stato intermedio, “semi-solido”: gli atomi di ossigeno rimarrebbero congelati in una struttura irregolare, mentre i nuclei di idrogeno – ciascuno costituito da un singolo protone – potrebbero saltare da un atomo di ossigeno al successivo. 

I protoni vaganti condurrebbero perciò elettricità, cosa che il ghiaccio o l’acqua pura non fanno in condizioni normali. Fino ad oggi era conosciuto solo un tipo di ghiaccio superionico, ma un nuovo studio ne ha scoperto un altro, più stabile rispetto al primo, che potrebbe essere un elemento costitutivo degli stati interni di giganteschi pianeti ghiacciati, come Urano e Nettuno. Hugh F. Wilson (ricercatore al Commonwealth Scientific Industrial Research Organisation [CSIRO] in Australia), Michael L. Wong, e Burkhard Militzer, in forze all’Università della California, Berkeley, hanno pubblicato un articolo sulla nuova fase del ghiaccio superionico in un recente numero della rivista Physical Review Letters.

Acqua esotica. L’acqua ha un diagramma di fase insolitamente ricco, con 15 fasi cristalline osservate in esperimenti di laboratorio, e ben 8 fasi aggiuntive previste su base teorica. “L’acqua superionica è una specie abbastanza esotica di sostanza”, ha spiegato Hugh F. Wilson. “Le fasi dell’acqua che conosciamo tutti sono costituiti da molecole, ma l’acqua superionica è una forma non-molecolare di ghiaccio, in cui gli atomi di idrogeno sono condivisi tra gli atomi di ossigeno; è in qualche misura sia un solido che un liquido”. A temperature e pressioni elevate, i nuclei di idrogeno dell’acqua possono muoversi liberamente e condurre elettricità proprio come gli elettroni in un metallo.

A sinistra la struttura del ghiaccio superionico (fase “BCC”); a destra la fase “FCC” più stabile appena scoperta. Credit: Hugh Wilson F., et al. © 2013 American Physical Society.

La fase di ghiaccio superionico già conosciuta, chiamata tecnicamente Body Centered Cubic (BCC), è stata prevista con simulazioni al computer nel 1999 da un gruppo di ricerca coordinato dal Prof. Carlo Cavazzoni. Essa deriva il suo nome dal fatto che gli atomi di ossigeno occupano la parte centrale del corpo cubico reticolare della molecola. Si prevede che possa esistere a pressioni superiori a 0,5 mbar (500.000 volte superiore alla pressione atmosferica), e a  temperature di alcune migliaia Kelvin. Il nuovo studio descrive una nuova fase in cui gli atomi di ossigeno occupano il centro della superficie frontale di un cubo di lattice (FCC); può esistere a pressioni superiori a 1,0 mbar (ben oltre quelle proprie della BCC), e ha una densità superiore e una mobilità delle molecole di idrogeno inferiore alla fase BCC – differenza che influisce sulla sua conducibilità termica ed elettrica.

Nettuno e Urano. Anche se il ghiaccio superionico non esiste in condizioni normali sulla Terra, le alte pressioni e temperature dove si pensa che esista sono molto simili alle condizioni previste per le zone interne della crosta di Urano e Nettuno. “Urano e Nettuno sono chiamati giganti di ghiaccio perché i loro nuclei sono costituiti principalmente da acqua, con ammoniaca e metano”, ha detto Hugh F. Wilson. “Dal momento che la pressione e la temperatura della nuova fase predetta coincide con la pressione e temperatura degli strati interni di questi pianeti, la nostra nuova fase FCC superionica può benissimo essere la componente più diffusa di questi pianeti”.

Urano e Nettuno hanno caratteristiche in larga misura ancora sconosciute; i dati a nostra disposizione sono molto limitati. Ciò che sappiamo è che hanno un bizzarro campo magnetico asimmetrico, non-dipolare, totalmente diverso da qualsiasi altro pianeta del nostro sistema solare. Sappiamo anche che sono estremamente simili per massa, densità e composizione, eppure restano sotto certi aspetti radicalmente diversi: per fare un esempio, Nettuno ha una significativa fonte di calore interna, mentre Urano difficilmente emette radiazioni di questo tipo.

È possibile che la transizione tra le fasi BCC-FCC possa spiegare i peculiari campi magnetici di questi due pianeti, anche se sono necessarie ulteriori ricerche per corroborare l’ipotesi. Se così fosse, in contrasto con le attuali previsioni, i nuclei di Urano e Nettuno dovrebbero avere una densità maggiore e una conducibilità elettrica leggermente ridotta rispetto ai modelli attuali.

Prospettive future. La scoperta potrebbe aiutarci spiegare che cosa alimenta i campi magnetici di Nettuno e di Urano, dato che ospitano grandi quantità di “ghiaccio caldo” nelle proprie profondità. Dal momento che la struttura di Urano e Nettuno è molto più comune di quanto possa esserlo, ad esempio, quella di Giove e dei giganti gassosi, conoscere la composizione del nucleo di questi due pianeti potrebbe avere implicazioni significative non solo per la conoscenza del nostro sistema solare. In futuro, grazie alle tecniche di diffrazione dei raggi X, i ricercatori prevedono di indagare sulla possibile esistenza di una terza fase superionica, così come il tentativo di rilevare il passaggio previsto tra le fasi FCC e BCC.