Una conformazione stabile del carbonio può spiegarne l'abbondanza al confine tra nucleo e mantello. Un team di ricercatori guidato dall’Università di Milano-Bicocca ha scoperto che gli ioni carbonato all’interno di materiali amorfi, come i viscosi magmi silicatici, diventano stabili portatori e sorgenti di carbonio alle profondità estreme del mantello inferiore della Terra. I risultati della ricerca, frutto di sperimentazioni su tre diverse linee di luce dell’ESRF (il sincrotone europeo di Grenoble, Francia) sono stati pubblicati sulla rivista del gruppo Nature “Communications Earth and Environment” (“Tetracarbonates in silicate melts may be at the origin of a deep carbon reservoir in the deep Earth”, DOI: 10.1038/s43247-023-00722-8). Ne parliamo con l’autore principale, Valerio Cerantola, ricercatore e docente di Mineralogia del dipartimento di Scienze dell’ambiente e della terra all’Università di Milano-Bicocca.
Valerio Cerantola, cosa fa il vostro gruppo di ricerca?
Esperimenti di laboratorio per riprodurre le condizioni in cui si possono trovare materiali o minerali all’interno dei pianeti, compressi a pressioni estreme come per esempio quelle presenti all’interno del mantello o del nucleo della Terra.
Cosa avete scoperto?
Partiamo dal principio. Il carbonio svolge un ruolo fondamentale nel nostro pianeta in quanto costituisce la base di molte delle nostre fonti energetiche ed è fondamentale per la vita, anche se un suo eccesso nell'atmosfera rappresenta una sfida significativa. La quantità di carbonio presente sulla superficie del nostro pianeta è comunque solo circa il 10% del carbonio totale sulla Terra. Il restante 90% si sospetta sia intrappolato nel nucleo e nel mantello terrestre. I processi di subduzione portano a un certo grado di mobilità del carbonio all'interno della Terra, tuttavia, la maggior parte del carbonio del sottosuolo è rimasta intrappolata all'interno del nostro pianeta sin dalla sua formazione, ed è noto come carbonio primordiale. Sulla superficie terrestre ci sono alcune aree, chiamate hot-spot, punti caldi, che presentano un’intensa attività vulcanica e sono caratterizzate da alte emissioni di carbonio, causate dall'innalzamento di caldi pennacchi di materiale proveniente dal mantello inferiore. Ciò implica che le zone del mantello terrestre dove si originano questi pennacchi siano più ricche di carbonio rispetto ad altre regioni dell'interno della Terra. La comunità scientifica è stata sempre incuriosita da questo: da dove viene questa enorme quantità di carbonio?
Da dove viene?
Il nostro team di ricerca nel 2017, quando lavoravo all’ESRF, aveva già studiato i carbonati di ferro, un materiale cristallino presente sia in superficie che in profondità all'interno della Terra, e aveva scoperto che si trasforma in una forma di tetracarbonato quando viene sottoposto a pressioni e temperature simili a quelle prevalenti nel mantello inferiore più basso. La forma di questo carbonato si era dimostrata molto stabile. L'attuale ricerca, che ha avuto nell’Università di Milano-Bicocca l’ente capofila, è un follow-up di quello studio: ora ci siamo concentrati sui materiali amorfi, che pensiamo siano probabilmente molto presenti a quella profondità, sotto forma di materiali fusi. Sulla linea di luce ID20 del sincrotone di Grenoble abbiamo potuto ricostruire i cambiamenti nella struttura locale intorno agli atomi di ossigeno nei gruppi carbonati, fino alla pressione del confine nucleo-mantello. Abbiamo osservato come il materiale, all’aumentare della pressione, rompa il doppio legame della molecola di carbonato per creare un legame extra tra carbonio e ossigeno e formare così unità di tetracarbonato.
La rilevanza di questa scoperta?
Su questo non erano mai stati ottenuti dati sperimentali, solo alcuni modelli computazionali. Ripetendo gli esperimenti utilizzando la diffrazione di raggi X su ID15A e ID15B, ed esaminando le distanze tra gli atomi, abbiamo ottenuto ulteriori informazioni su dove e come la struttura stava cambiando. I risultati sono stati chiari: i gruppi carbonato in materiali amorfi formano tetracarbonati, che a causa della loro capacità di polimerizzare, proprio come avviene con i silicati, raggiungono la stabilità meccanica alle pressioni estreme del mantello inferiore della Terra e quindi difficilmente si sposteranno da lì. Questo supporta l'idea che nella parte profonda del mantello inferiore ci siano enormi serbatoi di carbonio, di origine primordiale e di subduzione, che sono in grado di formare tetracarbonati stabili e altamente polimerizzanti in materiali amorfi e cristallini.
Prossimo step della vostra ricerca?
Studieremo le fusioni a pressioni e temperature estreme e osserveremo le interazioni tra carbonati e silicati.
