Uno studio a cura di ricercatori degli Istituti Iom e Ino del Cnr, della Sapienza Università di Roma, dell’Università di Edimburgo e dell’Institut Laue Langevin (ILL), descrive la fase “sovracritica” della materia, ancora poco conosciuta: si verifica quando una sostanza liquida o gassosa si trova in condizioni di temperatura e pressione superiori a quelle del suo punto critico, mostrando un comportamento considerato ibrido tra quello del liquido e quello del gas.
Comprendere tale fase ha dirette implicazioni sia in vari processi industriali con alto grado di sostenibilità- ad esempio nel campo della farmaceutica e delle biotecnologie- sia nello studio dei pianeti: la fase sovracritica, infatti, caratterizza pianeti quali Venere, Giove e Nettuno, e potrebbe anche essere la condizione termodinamica in grado di favorire l’esistenza della vita in esopianeti (cioè pianeti esterni al sistema solare). In particolare, la possibile esistenza di regioni termodinamiche nella fase sovracritica dove prevalesse la natura di tipo liquido o di tipo gassoso ha attirato un notevole interesse negli ultimi anni.
Nello studio pubblicato su Nature Communications, il gruppo ha investigato la diffusione di molecole in seno a un fluido sovracritico e ha ottenuto la prova sperimentale che la diffusione molecolare passa da un comportamento di tipo gassoso a uno di tipo liquido a cavallo della linea di Widom, una linea termodinamica che estende la curva del vapor saturo al di sopra del punto critico. Tale risultato è stato ottenuto attraverso un esperimento di scattering quasi elastico di neutroni su metano sovracritico effettuato presso la sorgente di neutroni dell’ILL. Il fascio di neutroni è stato inviato su una cella contenente metano in condizioni sovracritiche, e l’intensità del fascio di neutroni diffuso dal campione è stata misurata in funzione dell’energia scambiata nel regime quasi elastico, ossia nella regione energetica dove si manifestano i fenomeni di diffusione molecolare in seno alla materia. Le misure si sono svolte lungo un cammino isotermo a T=200 K (T critica=190 K) variando la pressione del metano da pochi bar fino a circa 3 Kbar (pressione critica= 45 bar).
Gli autori della ricerca sottolineano l’inequivocabilità delle evidenze sperimentali: “Mentre a pressioni inferiori a circa 50 bar si osserva il segnale della dinamica diffusiva tipica dei sistemi gassosi, abbiamo potuto osservare che all’aumentare della pressione oltre i 50 bar, il segnale evolve progressivamente fino ad assumere la forma tipica dei liquidi” spiega Alessio De Francesco (Cnr-Iom e ILL), mentre Mario Santoro e Federico Gorelli (Cnr-Ino) precisano che: “Aver associato tale peculiarità della fase sovracritica a una linea termodinamica ben definita che emana dal punto critico fornisce un'importante chiave interpretativa per la modellizzazione di questa fase, assai elusiva”.
Il risultato è stato reso possibile grazie alle misure effettuate presso una sorgente di neutroni ad alto flusso quale è ILL, con la quale il Cnr ha all’attivo specifici accordi di collaborazione: “Queste misure sono ai limiti delle possibilità sperimentali attuali, ed erano impensabili fino a qualche anno fa. Come spesso succede nella ricerca, avere aperto una porta significa intravedere nuove strade da esplorare, e questo obiettivo può essere perseguito solo grazie all’accesso alle grandi facilities di ricerca: ci auguriamo per il futuro che un numero sempre maggiore di utenti italiani possa accedere a questo tipo di strumentazione”, conclude Ferdinando Formisano (Cnr-Iom).
U. Ranieri, F. Formisano, F.A. Gorelli, M. Santoro, M.M. Koza, A. De Francesco, L.E. Bove, Crossover from gas-like to liquid-like molecular diffusion in a simple supercritical fluid. Nat Commun 15, 4142 (2024)
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47961-7
Per informazioni:
Ferdinando Formisano
Cnr-iom e ILL
formisan@ill.fr