Uno studio a cura di ricercatori degli Istituti INO (M. Santoro e F. A. Gorelli per INO) e IOM del CNR, dell’Università di Roma “La Sapienza”, dell’Università di Edimburgo e dell’Institut Laue Langevin (ILL), descrive la natura della fase “sovracritica” della materia, ancora poco conosciuta. Questa fase 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 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 sono state effettuate 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. Infatti, mentre a pressioni inferiori a circa 50 bar si osserva il segnale della dinamica diffusiva tipica dei sistemi gassosi, all’aumentare della pressione oltre i 50 bar, il segnale evolve progressivamente fino ad assumere la forma tipica dei liquidi. Aver inoltre 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. Vale ancora la pena notare che queste misure sono ai limiti delle possibilità sperimentali attuali, ed erano impensabili anche solo fino a qualche anno fa.

Pubblicazione originale:
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, Nature Communications 15, 4142 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47961-7.