TRIESTE – Un enigma scientifico che ha affascinato e interrogato i ricercatori per oltre quattro decenni ha finalmente trovato una spiegazione. La misteriosa fluorescenza dei cristalli di ghiaccio, osservata quando vengono esposti a luce ultravioletta, è stata decifrata grazie a una prestigiosa collaborazione internazionale. Uno studio congiunto tra il Centro internazionale di fisica teorica Abdus Salam (ICTP) di Trieste e l’Università di Chicago ha rivelato che il segreto di questa luminescenza risiede nei difetti microscopici presenti all’interno della struttura cristallina del ghiaccio. Questa fondamentale scoperta, pubblicata sulla rinomata rivista scientifica Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS), non solo risolve un vecchio quesito, ma promette di avere un impatto significativo sulla nostra comprensione dei processi atmosferici e planetari.
Una collaborazione italo-americana per svelare i segreti della luce
L’interazione tra la luce e il ghiaccio è un fenomeno cruciale in molti processi che governano l’atmosfera terrestre e le superfici di altri pianeti. Nonostante la sua importanza, molti aspetti di questa interazione rimanevano oscuri. La ricerca, guidata dal gruppo del ricercatore Ali Hassanali all’ICTP e da quello della professoressa Giulia Galli a Chicago, ha affrontato per la prima volta da un punto di vista teorico il ruolo dei difetti cristallini in questo processo. Giulia Galli, membro del Consiglio Scientifico dell’ICTP dal 2022, è un’esperta di fama mondiale nei calcoli della struttura elettronica, e il suo gruppo ha sviluppato tecniche pionieristiche per simulare con precisione gli stati elettronici eccitati dei materiali.
Il team di Hassanali, nell’ambito del progetto “HyBOP” (Hydrogen Bond Networks as Optical Probes) finanziato dal Consiglio Europeo della Ricerca (ERC), era particolarmente interessato a studiare la capacità del ghiaccio di assorbire ed emettere luce, nota come fluorescenza. L’attenzione dei ricercatori è stata catturata da un articolo degli anni ’80 di un gruppo di ricerca dell’Università dell’Australia Occidentale, che aveva osservato il fenomeno senza però poterne spiegare le origini microscopiche.
Il ruolo cruciale delle imperfezioni
La prima autrice dello studio, la Dott.ssa Marta Monti, ricercatrice post-dottorato nel gruppo di Hassanali, ha giocato un ruolo chiave nella scoperta. Utilizzando le sofisticate tecniche computazionali sviluppate dal team di Chicago, la Dott.ssa Monti ha condotto simulazioni quantistiche su un campione di ghiaccio sufficientemente grande da fornire una descrizione realistica e accurata del sistema. “Solo in questo modo le nostre simulazioni potevano darci un quadro realistico di ciò che accade all’interno del cristallo di ghiaccio quando viene eccitato dalla luce”, ha affermato Monti.
Inizialmente, le simulazioni su cristalli di ghiaccio perfetti non riuscivano a riprodurre i risultati sperimentali. La svolta è avvenuta quando i ricercatori hanno introdotto deliberatamente dei difetti nei loro modelli. “È stato solo quando abbiamo introdotto dei difetti nei nostri campioni di ghiaccio che abbiamo iniziato ad osservare nelle nostre simulazioni caratteristiche negli spettri di assorbimento e di emissione coerenti con gli esperimenti“, ha spiegato Marta Monti. I calcoli, sebbene estremamente onerosi dal punto di vista computazionale, hanno dimostrato che difetti come vacanze (atomi mancanti), specie ioniche e difetti topologici (come i difetti di Bjerrum) sono determinanti nel controllare la formazione e il rilassamento dei fotoprodotti nel ghiaccio dopo l’assorbimento di luce UV.
L’assorbimento di UV può portare alla formazione di ioni idronio, radicali idrossilici ed elettroni in eccesso. I difetti influenzano sensibilmente il modo in cui queste specie si ricombinano, determinando così le caratteristiche ottiche del ghiaccio e la sua capacità di emettere luce. Come ha sottolineato la professoressa Galli, non è una sorpresa che i difetti giochino un ruolo così importante, poiché le proprietà elettriche e ottiche di molti materiali ne sono fortemente influenzate.
Implicazioni future e nuove frontiere della ricerca
Questa scoperta apre la strada a nuove ed entusiasmanti direzioni di ricerca. Una comprensione più profonda di come la luce interagisce con il ghiaccio è fondamentale per interpretare correttamente le osservazioni di corpi celesti ghiacciati nel nostro sistema solare e oltre, e per affinare i modelli climatici e atmosferici qui sulla Terra. Lo studio fornisce una base teorica solida per future indagini sperimentali volte a sondare questi fenomeni in modo più diretto.
Guardando al futuro, il ricercatore Ali Hassanali ha espresso il desiderio di proseguire la fruttuosa collaborazione con il gruppo della professoressa Galli. L’obiettivo è quello di combinare le attuali simulazioni con metodi di apprendimento automatico (machine learning) per accelerare i complessi calcoli necessari, permettendo così di studiare sistemi ancora più complessi e di svelare ulteriori segreti nascosti nel cuore dei cristalli di ghiaccio.