Dall’imperfezione, la luce. Perché il ghiaccio si illumina
Foto: Jeremy Bishop-unsplash
Negli anni Ottanta, alcuni studi sperimentali dimostrarono che i cristalli di ghiaccio, quando vengono esposti ai raggi ultravioletti, diventano fluorescenti.
Nonostante da allora siano passati più di quarant’anni, finora nessuno studio è riuscito a individuare i meccanismi molecolari alla base di questo fenomeno e capire, quindi, il motivo per cui il ghiaccio diventa luminoso quando viene colpito dai raggi UV.
Un gruppo di ricerca coordinato dal Centro Internazionale di Fisica Teorica Abdus Salam (ICTP) di Trieste e dall’Università di Chicago ha proposto una spiegazione, i cui dettagli sono stati pubblicati di recente su PNAS.
Il punto centrale di questa teoria è che la presenza di determinati tipi di “difetti” a livello molecolare nei cristalli di ghiaccio influenzi i processi di assorbimento ed emissione della luce che caratterizzano la fluorescenza.
Ghiaccio reale e simulato
“Lo scopo del lavoro era quello di riprodurre attraverso delle simulazioni la fluorescenza del ghiaccio osservata sperimentalmente circa quarant’anni fa, per provare a individuarne le cause”, spiega Marta Monti, prima autrice dello studio e ricercatrice post-dottorato all’ICTP. “Negli ultimi decenni sono stati infatti proposti diversi meccanismi molecolari potenzialmente responsabili di questo fenomeno; nessuno studio, però, è stato in grado di fornire una spiegazione sufficientemente robusta dal punto di vista scientifico”.
Il problema è che lo studio dell’interazione tra luce UV e ghiaccio richiede “esperimenti molto complessi dal punto di vista tecnico”, spiega Monti. “È piuttosto difficile, per esempio, lavorare con campioni di ghiaccio privi di impurità, le quali potrebbero alterare i risultati”.
Le complicazioni non riguardano solo chi ha cercato di indagare questo fenomeno dal punto di vista sperimentale. Anche gli studi in ambito teorico-computazionale devono scontrarsi con alcuni limiti. Ci stiamo riferendo, in parole più semplici, a ricerche che non prevedono l’analisi di veri frammenti di ghiaccio, ma si basano su simulazioni avanzate al computer, costruite a partire da modelli virtuali che riproducono la struttura del ghiaccio reale.
“Con questo approccio è molto più semplice indagare molecole isolate, rispetto ai solidi come il ghiaccio”, prosegue Monti. “Per questi ultimi, infatti, è necessario utilizzare una metodologia di calcolo molto complessa e dispendiosa”.
Per riuscire a superare questa difficoltà, il gruppo di ricerca dell’ICPT coordinato da Ali Hassanali, di cui fa parte Monti, ha collaborato con un team dell’Università di Chicago guidato da Giulia Galli, il quale ha sviluppato un metodo di calcolo basato sulle simulazioni quantistiche. “Attraverso questo metodo siamo riusciti a indagare in maniera molto più efficiente cosa succede a livello microscopico nella struttura di diversi modelli di ghiaccio quando la luce ultravioletta li colpisce”, spiega Monti.
Difetti luminosi
“Di solito, per studiare le proprietà e il comportamento del ghiaccio attraverso l’approccio teorico, si utilizzano modelli che riproducono cristalli di ghiaccio perfetti, che non contengono quindi alcuna anomalia nella loro caratteristica struttura esagonale”, prosegue la ricercatrice. “Il ghiaccio, infatti, è composto da una serie di esagoni, formati da molecole di acqua, che si ripetono l’uno di seguito all’altro.
Anche noi, quindi, abbiamo eseguito inizialmente i nostri calcoli su modelli di ghiaccio privi di difetti, simulando il modo in cui interagivano con la luce UV. Abbiamo però notato che i livelli di assorbimento e di emissione della luce erano troppo diversi da quelli osservati nelle ricerche sperimentali.
Abbiamo allora considerato che il ghiaccio, come tantissimi altri solidi, può avere dei difetti “intrinseci” nella sua struttura. Possono esserci, per esempio, dei buchi nella sua “architettura” (le cosiddette vacanze) dovuti alla mancanza di una molecola di acqua, dei difetti ionici, nel caso in cui al posto di una molecola di H2O, ce ne sia una di OH- o H3O+, oppure dei difetti topologici o geometrici, in cui le molecole di acqua che compongono la struttura sono disposte diversamente da come apparirebbero invece in un esagono perfetto”.
Monti e coautori hanno quindi introdotto le tre tipologie di difetti appena descritte nella struttura dei modelli di ghiaccio utilizzati nelle loro simulazioni.
“Abbiamo scoperto che, a seconda del difetto inserito, variava innanzitutto l’energia di assorbimento (che è il primo meccanismo alla base della fluorescenza): questa era di circa 9,5 eV nei modelli di ghiaccio perfetti e di circa 5,7 eV in quelli in cui erano presenti difetti topologici”, prosegue la ricercatrice. “Questo secondo valore è molto più simile a quello misurato sperimentalmente, che è di 5,6 eV”.
Non solo l’energia di assorbimento, ma anche quella emessa dai cristalli di ghiaccio “imperfetti” progettati dagli autori corrispondeva a quella descritta negli studi sperimentali. “Abbiamo scoperto che i fotoprodotti (le molecole che si formano in seguito all’interazione con la luce e responsabili dell’emissione) della fluorescenza nei nostri modelli erano principalmente i radicali OH, che sono stati rilevati anche negli studi sperimentali”, specifica Monti. “Abbiamo quindi iniziato a capire che la presenza di difetti cambia l’energetica dell'esperimento e che i risultati ottenuti sperimentalmente provenivano quindi da campioni di ghiaccio imperfetti.
Inoltre, abbiamo scoperto che l’effetto dell’interazione tra la luce e il ghiaccio si concentra proprio nelle regioni in cui sono localizzati i difetti. Sono proprio questi ultimi, infatti, a venire eccitati dai raggi UV e a trasformarsi di conseguenza, liberando i fotoprodotti che caratterizzano l’emissione di luce”.
Foto: Sergey Pesterev / Unsplash
Svelare i segreti del ghiaccio
I risultati di Monti e coautori potrebbero trovare applicazione in diversi ambiti di ricerca, dato che l’interazione tra raggi UV e ghiaccio è coinvolta in diversi processi ambientali e atmosferici.
“Capire come i cristalli di ghiaccio reagiscono alla luce può aiutarci a indagare le proprietà e il comportamento del ghiaccio presente sia sulla Terra che in atmosfera”, spiega Monti. “Per esempio, si potrebbero trarre nuove informazioni sul ghiaccio che si forma sulla superficie delle nuvole o su quello che ricopre le regioni polari misurandone la fluorescenza.
I risultati delle simulazioni di Monti e coautori non forniscono, comunque, una spiegazione definitiva, ma potrebbero diventare un punto di partenza per ricerche future. “Ci auspichiamo che i nostri modelli possano essere verificati sperimentalmente su campioni reali di ghiaccio” commenta la ricercatrice. “La nostra speranza, infatti, è che i recenti progressi tecnologici permettano sia di ripetere gli esperimenti condotti in passato con strumenti più avanzati, sia di osservare come il comportamento del ghiaccio vari a seconda delle tipologie di difetti presenti nella sua struttura”.
