La sublimazione del ghiaccio solido avviene altrettanto rapidamente dell’evaporazione dell’acqua liquida

Si potrebbe pensare che l’acqua evapori molto più velocemente del ghiaccio. Sorprendentemente, i ricercatori dell’Università di Amsterdam hanno ora dimostrato che per piccole gocce di ghiaccio, questo non è il caso: il ghiaccio e le gocce d’acqua scompaiono altrettanto rapidamente. Questo spiega un fatto che gli sciatori conoscono bene: la neve appena caduta è molto diversa dalla neve vecchia di qualche giorno. I risultati sono stati pubblicati su Nature Communications questa settimana.

Se mettiamo un bicchiere d’acqua su un tavolo e aspettiamo a lungo, ci aspettiamo che l’acqua evapori, ma non il bicchiere stesso, o il tavolo. Nella nostra esperienza, i materiali solidi non evaporano; quindi intuitivamente ci aspettiamo che anche il ghiaccio, anch’esso solido, non evapori in modo significativo. Tuttavia, un tale processo – noto nella terminologia fisica come assublimazione – avviene: gli sciatori sanno, per esempio, che anche se la temperatura rimane sotto il punto di congelamento, alcuni centimetri di neve possono scomparire in un paio di giorni.

Un risultato sorprendente

Anche se molto meno studiata dell’evaporazione dei liquidi, la sublimazione del ghiaccio solido ha importanti conseguenze, poiché ha un impatto sul clima (poiché il ghiaccio riflette la luce del sole) così come la dimensione e la forma delle particelle di ghiaccio nelle nuvole (producendo fiocchi di neve, grandine e pellet di ghiaccio) ed è di fondamentale importanza per la formazione di modelli di erosione complessi come i penitenti di neve nei campi di neve ad alta quota.

Nella ricerca pubblicata su Nature Communications questa settimana, i fisici Etienne Jambon-Puillet, Noushine Shahidzadeh e Daniel Bonn dell’Università di Amsterdam hanno studiato la sublimazione di piccole gocce di ghiaccio e fiocchi di neve. Sorprendentemente, hanno scoperto che nelle stesse condizioni, la sublimazione di una goccia di ghiaccio congelato avviene altrettanto rapidamente quanto l’evaporazione della stessa goccia quando è composta da acqua liquida.

La diffusione pone il limite

I ricercatori dimostrano che questo effetto sorprendente avviene perché sia per l’acqua liquida che per il ghiaccio, la velocità di evaporazione è limitata dal processo di diffusione: il modo in cui il vapore acqueo risultante si diffonde lentamente nell’aria. Questa conclusione vale per le goccioline di ghiaccio, ma anche per i fiocchi di neve: questi diventano più arrotondati durante la sublimazione (vedi figura); un processo che è stato precedentemente attribuito all’influenza della struttura cristallina sottostante. I ricercatori sostengono ora che questa struttura cristallina non è così importante come si pensava in precedenza: i loro argomenti sulla diffusione sono sufficienti a spiegare quantitativamente l’evoluzione delle forme dei fiocchi di neve osservate negli esperimenti.

I risultati spiegano quindi la differenza tra la neve appena caduta e quella di qualche giorno fa. Ma le conclusioni non sono interessanti solo per chi ama sciare, poiché le applicazioni non si limitano alle gocce di ghiaccio o ai fiocchi di neve. I risultati si applicano anche alla dissoluzione di piccoli cristalli, poiché la loro dinamica è governata dalla stessa fisica. Così, i risultati possono essere applicati anche nel controllo delle dimensioni e della forma delle nanoparticelle e dei cristalli di sale o del tasso di dissoluzione dei farmaci.