ghiaccio cristallino

Una sostanza affascinante con proprietà uniche, il ghiaccio ha incuriosito gli esseri umani da tempo immemorabile. A differenza della maggior parte degli altri materiali, il ghiaccio a temperature molto basse non è così ordinato come potrebbe essere. Una collaborazione tra la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), il Centro Internazionale Abdus Salam di Fisica Teorica (ICTP), l’Istituto di Fisica Rosario (IFIR-UNR), con il supporto dell’Istituto Officina dei Materiali e del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-OIM), ha fatto nuove incursioni teoriche sui motivi per cui questo accade e sul modo in cui è possibile recuperare parte dell’ordine mancante.

In quello stato ordinato, il team di scienziati ha descritto una proprietà relativamente oscura e tuttavia fondamentale del ghiaccio a temperature molto basse: la ferroelettricità. I risultati, pubblicati su PNAS, è probabile che si estendano alle superfici ghiacciate, una possibilità che potrebbe essere rilevante per l’agglomerazione di particelle di ghiaccio nello spazio interstellare.

“In un pezzo di ghiaccio idealmente ordinato gli atomi di idrogeno di ogni molecola d’acqua dovrebbero puntare nella stessa direzione, come i soldati di un plotone che guardano di fronte a loro”, spiega Alessandro Laio, fisico della SISSA e dell’ICTP. “Se così fosse, il ghiaccio esibirebbe una polarizzazione elettrica macroscopica, sarebbe ferroelettrica. Invece, le molecole d’acqua nel ghiaccio, anche a temperature molto basse , si comportano come soldati indisciplinati e guardano tutte in direzioni diverse”.

 

L’ordine dei protoni e la ferroelettricità del ghiaccio cristallino

Questo comportamento anomalo, scoperto sperimentalmente negli anni ’30, fu immediatamente e notoriamente spiegato da Linus Pauling: la mancanza di disciplina è un effetto del vincolo della ‘regola del ghiaccio’, ogni atomo di ossigeno dovrebbe in qualsiasi momento possedere solo due protoni. La difficile cinetica creata da quel vincolo fa sì che il processo di ordinazione diventi infinitamente lento.

“Se non fosse per impurità o difetti, che si sono rivelati rivelatori, ancora oggi non si saprebbe se l’ordine dei protoni e la ferroelettricità del ghiaccio cristallino alla rinfusa siano una possibilità reale o un frutto dell’immaginazione, poiché né gli esperimenti né le simulazioni potrebbero superare il rallentamento cinetico generato dalle regole del ghiaccio”, sottolinea Erio Tosatti, fisico di SISSA, ICTP e CNR-IOM Democritos.

È infatti noto che le impurità consentono al processo di ordinazione di rendere il ghiaccio ordinato e ferroelettrico a temperature molto basse, anche se solo parzialmente e lentamente. Ancora una volta, si sospettava che la “regola del ghiaccio” fosse alla base della lentezza di questo processo, ma non si sapeva esattamente come funzionasse. Insieme a Jorge Lasave e Sergio Koval dell’IFIR-UNR in Argentina, entrambi membri associati dell’ICTP, Alessandro Laio ed Erio Tosatti hanno progettato un modello teorico e una strategia per spiegare il comportamento del ghiaccio.

“Secondo questo modello”, spiegano gli scienziati, “una volta che un’impurità viene introdotta all’interno di un iniziale stato disordinato di bassa temperatura, funge da seme per la fase ordinata, ma in modo peculiare: non tutti i ‘soldati’ intorno all’impurità inizia a guardare nella direzione corretta, ma solo quelli davanti o dietro l’impurità. Così, alla fine del processo, solo una serie di soldati all’interno del plotone sarà ordinata”. Questo processo altamente atipico ha molte delle caratteristiche che possono spiegare l’inizio lento e incompleto dell’ordine ferroelettrico nel ghiaccio. Sebbene per ora lo studio sia limitato al ghiaccio sfuso è probabile che il meccanismo evidenziato si estenda alle superfici ghiacciate.

Foto di Fred T. da Pixabay