Alexis Forestier e i suoi colleghi del Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) in Francia hanno compresso una microscopica goccia d’acqua a pressioni superiori a due milioni di atmosfere terrestri, riscaldandola simultaneamente oltre i 2.000 gradi Celsius. L’acqua non è evaporata. Si è trasformata in una fase solida esotica nota come ghiaccio superionico.
Attraverso celle a incudine di diamante e l’analisi a raggi X condotta presso l‘European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) su un campione largo appena 12 micrometri, il gruppo di ricerca ha identificato direttamente la transizione verso la struttura cristallina esagonale compatta (hexagonal close-packed o hcp). A condizioni estreme — 219 gigapascal di pressione e 2.630 kelvin (circa 2.357 °C) — la configurazione hcp ha mostrato una netta dominanza rispetto ad altre fasi precedentemente riscontrate.
Lo stato superionico comporta una netta separazione nel comportamento degli elementi costitutivi della molecola: gli atomi di ossigeno rimangono bloccati in un reticolo cristallino solido, mentre i nuclei di idrogeno (protoni) fluiscono liberamente all’interno della struttura come in un liquido. Questo flusso continuo di idrogeno carico rende il materiale un conduttore di elettricità.
La transizione di fase osservata durante gli esperimenti non si verifica con un salto improvviso, ma attraverso uno scorrimento progressivo degli strati atomici. La fase hcp ha mostrato inoltre un’espansione termica anomala e fortemente asimmetrica intorno ai 1.700 kelvin (1.427 °C), concentrata lungo una direzione cristallografica specifica. Tale anisotropia indica che il trasporto di carica e di calore all’interno del reticolo non avviene in modo uniforme in tutte le direzioni.
I dati, pubblicati in un lavoro destinato alla rivista Physical Review Letters, forniscono elementi chiave per la comprensione dei giganti ghiacciati del nostro sistema solare, Urano e Nettuno.
Le sonde spaziali come la Voyager 2 hanno rilevato che i campi magnetici di Urano e Nettuno non sono allineati con gli assi di rotazione e presentano una geometria asimmetrica e fortemente inclinata. La presenza prevalente di ghiaccio superionico hcp nei loro mantelli profondi spiega la conduzione elettrica asimmetrica e l’origine dei complessi campi magnetici planetari.
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