Un nuovo metallo nelle profondità della Terra

Le intense pressioni e le alte temperature nell’interno della Terra compattano gli atomi e gli elettroni e li avvicinano fra loro tanto che essi possono interagire in modo molto diverso da come siamo abituati a pensare. I nuovi esperimenti e i nuovi calcoli con grandi computer hanno permesso di scoprire che l’ossido di ferro subisce un nuovo tipo di transione quando si trova in profondità. L’ossido di ferro, FeO, è un componente del secondo minerale più abbondante nel mantello inferiore terrestre, la Ferropericlase. La scoperta, pubblicata su Physical Review Letters, potrebbe cambiare la nostra comprensione delle dinamiche profonde della Terra e il comportamento del campo magnetico protettivo che avvolge la Terra e che favorisce la vita sulla Terra proteggendoci dai dannosi raggi cosmici.

La ferropericlase contiene sia magnesio che ossido di ferro. Per imitare le condizioni estreme in laboratorio, il team che ha come co-autore Ronald Cohen del Laboratorio Geofisico della Carnegie Institution di Washington ha studiato la conducibilità elettrica di ossido di ferro a pressioni e temperature fino a 1,4 milioni di volte la pressione atmosferica e a 2200 °C, alla pari con le condizioni che si trovano al centor del mantello. Hanno anche utilizzato un nuovo metodo di calcolo che ultizza solo la fisica fondamentale per modellare le complesse interazioni a molti corpi tra gli elettroni. La teoria e gli esperimenti prevedono un nuovo tipo di metallizzazione in FeO.

I composti in genere subiscono cambiamenti strutturali, chimici, elettronici ed altri sotto queste condizioni estreme. Contrariamente a quanto si pensava, l’ossido di ferro deriva da uno stato isolante (che non presenta conduzione elettrica) per diventare un metallo altamente conduttore a 590 000 atmosfere di pressione e a temperature di 1648 °C ma senza una modifica alla sua struttura. Studi precedenti avevano portato ad affermare che la metalizzazione in FeO era associata ad un cambiamento nella sua struttura cristallina. Questo risultato indica che l’Ossido di Ferro può essere un isolante e un metallo a seconda delle condizioni di temperatura e pressione.

“Ad alte temperature, gli atomi nei cristalli di ossido di ferro si dispongono con la stessa struttura del comune sale da cucina, NaCl” ha affermato Cohen. “Proprio come il sale da tavola, il FeO in condizioni ambientali è un isolante, non è un buon conduttore di elettricità. Le vecchie misurazioni avevano mostrano la metalizzazione in FeO a pressioni e temperature elevate, ma si era pensato che si formasse una nuova struttura cristallina. I nostri nuovi risultati mostrano, invece, che FeO diventa metallo senza nessun cambiamento nella struttura e che sono richieste una combinazione di temperatura e pressione perchè avvenga. Inoltre, la teoria mostra che il modo in cui gli elettroni si comportano per rendere FeO metallico è diverso da qualsiasi altro materiale che diventa metallico”.

“I risultati implicano che l’ossido di ferro sta conducendo in tutta la gamma della sua stabilità nel mantello inferiore terrestre” ha continuato Cohen. “La fase metallica migliorerà l’interazione elettromagnetica tra il nucleo liquido e mantello inferiore. Questo ha implicazioni nel campo magnetico terrestre che è generato nel nucleo esterno. Cambierà il modo in cui si propaga il campo magnetico alla superficie della Terra perchè esso fornisce un accoppiamento magnetomeccanico tra il mantello terrestre e il nucleo”.

“Il fatto che un minerale abbia proprietà che differiscono così profondamente a seconda della sua composizione e di dove si trova all’interno della Terra è una grande scoperta” ha concluso il Direttore Russell Hemnley del Laboratorio di Geofisica del Carnegie Insitution.

Fonte: “A New Kind of Metal in the Deep Earth”, sul sito del Carnegie Institution for Science: http://carnegiescience.edu/news/new_kind_metal_deep_earth .

Sabrina