Spiegati ordine e disordine della struttura del ghiaccio cristallino

Affascinante sostanza dalle proprietà uniche, il ghiaccio incuriosisce l’uomo da tempo immemorabile. A differenza della maggior parte degli altri materiali, il ghiaccio cristallino a bassissima temperatura non presenta una struttura così ordinata come potrebbe sembrare. Una ricerca svolta in collaborazione tra la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), l’Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP), l’Institute of Physics Rosario (IFIR-UNR), con il supporto dell’Istituto Officina dei Materiali del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-IOM), ha portato a nuove scoperte teoriche sulle ragioni di questo fenomeno e sulle modalità di recupero di parte dell’ordine mancante.

Ordine e disordine del ghiaccio cristallino: un rompicapo in via di risoluzione

In questo stato ordinato della struttura, il team di scienziati ha descritto una proprietà relativamente oscura ma fondamentale del ghiaccio a bassissima temperatura: la ferroelettricità. È probabile che i risultati, che appaiono sulla rivista PNAS, si estendano anche alle superfici di ghiaccio, una possibilità che potrebbe essere significativa per lo studio dell’agglomerazione di particelle di ghiaccio nello spazio interstellare.

Alessandro Laio, fisico della SISSA e dell’ICTP, spiega che, 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 avanti. Se così fosse, aggiunge lo studioso, il ghiaccio mostrerebbe una macroscopica polarizzazione elettrica, sarebbe cioè ferroelettrico. Invece, le molecole d’acqua nel ghiaccio, anche a temperature molto basse, si comportano come soldati ribelli che guardano in direzioni diverse.

Linus Pauling spiega così questo comportamento anomalo, scoperto sperimentalmente negli anni ’30: la mancanza di disciplina è un effetto del vincolo della “regola del ghiaccio”, secondo cui ogni atomo di ossigeno dovrebbe in ogni momento possedere due e solo due protoni per diventare H2O. La difficile cinetica creata da quel vincolo rallenta infinitamente il processo di ordinazione

Erio Tosatti, fisico della SISSA, dell’ICTP e del CNR-IOM Democritos, sottolinea che, se non fosse per impurità o difetti che si sono mostrati rivelatori, non sarebbe chiaro ancora oggi se l’ordine dei protoni e la ferroelettricità del ghiaccio cristallino sfuso siano una possibilità reale o un frutto dell’immaginazione, dato che né gli esperimenti né le simulazioni potrebbero superare il rallentamento cinetico generato dalla regola del ghiaccio.