Il nucleo interno terrestre, quella sfera solida di ferro e leghe leggere compressa da oltre 3,3 milioni di atmosfere e riscaldata a temperature paragonabili alla superficie solare, ha sempre rappresentato un enigma per la geofisica. Da decenni gli scienziati si interrogano su una contraddizione apparentemente inspiegabile: nonostante sia classificato come solido, questo cuore metallico del pianeta rallenta le onde sismiche di taglio e mostra proprietà meccaniche più simili al burro che all'acciaio. Come può il centro della Terra apparire contemporaneamente rigido eppure stranamente malleabile? Una ricerca pubblicata su National Science Review fornisce finalmente una risposta convincente, rivoluzionando la nostra comprensione della struttura planetaria più profonda e inaccessibile.
Il team guidato dal professor Youjun Zhang e dalla dottoressa Yuqian Huang dell'Università del Sichuan, in collaborazione con il professor Yu He dell'Istituto di Geochimica dell'Accademia Cinese delle Scienze, ha dimostrato attraverso esperimenti di laboratorio che le leghe ferro-carbonio esistono in una fase superionica quando sottoposte alle condizioni estreme del nucleo interno. In questo stato esotico della materia, gli atomi di carbonio si muovono liberamente attraverso il reticolo cristallino del ferro come se fossero liquidi, pur mantenendo il ferro stesso una struttura ordinata e solida. Questo comportamento ibrido riduce drasticamente la rigidità della lega, spiegando le anomalie sismiche registrate per decenni.
La metodologia sperimentale ha rappresentato la vera svolta dello studio. Utilizzando una piattaforma di compressione dinamica da shock, i ricercatori hanno accelerato campioni di lega ferro-carbonio fino a 7 chilometri al secondo, raggiungendo pressioni fino a 140 gigapascal e temperature vicine ai 2600 kelvin, condizioni che riproducono fedelmente l'ambiente del nucleo interno terrestre situato a circa 5100 chilometri di profondità. Le misurazioni in situ della velocità del suono, combinate con simulazioni di dinamica molecolare avanzate, hanno rivelato una perdita drammatica della velocità delle onde di taglio e un forte aumento del rapporto di Poisson, parametro che descrive la deformabilità dei materiali.
"Per la prima volta abbiamo dimostrato sperimentalmente che la lega ferro-carbonio nelle condizioni del nucleo interno presenta una velocità di taglio sorprendentemente bassa", ha spiegato il professor Zhang. "In questo stato, gli atomi di carbonio diventano altamente mobili, diffondendosi attraverso la struttura cristallina del ferro come bambini che si muovono in una danza collettiva, mentre il ferro rimane solido e ordinato. Questa fase superionica riduce drasticamente la rigidità della lega."
Sebbene simulazioni computazionali del 2022 avessero già suggerito questa possibilità teorica, confermarla sperimentalmente si era rivelato estremamente complesso fino ad oggi. I dati atomistici raccolti hanno mostrato chiaramente che gli atomi di carbonio si muovono liberamente attraverso la struttura ordinata del ferro, indebolendola senza causare il collasso del reticolo cristallino. Questa evidenza sperimentale colma un divario fondamentale tra predizioni teoriche e osservazioni sismologiche reali, fornendo una base fisica solida per interpretare i segnali che arrivano dal centro del pianeta.
Le implicazioni di questa scoperta vanno ben oltre la risoluzione di un'anomalia sismica. Il modello supersionico offre nuove chiavi interpretative per fenomeni geofisici complessi come l'anisotropia sismica, ovvero le variazioni direzionali nella velocità delle onde sismiche che attraversano il nucleo interno. Inoltre, il movimento fluido degli elementi leggeri potrebbe contribuire al mantenimento del campo magnetico terrestre, quella barriera invisibile che protegge la vita sulla superficie dalle radiazioni cosmiche dannose.
"La diffusione atomica all'interno del nucleo interno rappresenta una fonte di energia precedentemente trascurata per la geodinamo", ha sottolineato la dottoressa Huang. Oltre al calore e alla convezione composizionale, il movimento simil-liquido degli elementi leggeri potrebbe alimentare il motore magnetico della Terra, aggiungendo un tassello cruciale alla comprensione dei meccanismi che generano il campo geomagnetico attraverso l'effetto dinamo nel nucleo esterno liquido.
Lo studio chiarisce anche dibattiti scientifici di lunga data sul comportamento degli elementi leggeri sotto pressioni estreme. Mentre ricerche precedenti si erano concentrate principalmente su composti o leghe sostituzionali, questo lavoro evidenzia il ruolo fondamentale delle soluzioni solide interstiziali, in particolare quelle contenenti carbonio, nel controllo delle proprietà fisiche del nucleo. Il carbonio, con i suoi atomi relativamente piccoli, può inserirsi negli spazi interstiziali del reticolo cristallino del ferro, modificandone radicalmente le caratteristiche meccaniche quando le condizioni di pressione e temperatura raggiungono valori estremi.
Secondo il professor Zhang, questi risultati rappresentano un cambiamento paradigmatico nell'interpretazione scientifica del nucleo interno. "Stiamo abbandonando un modello statico e rigido del nucleo interno per abbracciare una visione dinamica", ha affermato. Questa transizione concettuale da un solido convenzionale a uno stato ibrido che combina ordine cristallino e mobilità atomica richiede di ripensare i modelli geofisici utilizzati per interpretare i dati sismici e geodinamici.
Le prospettive future di questa ricerca si estendono oltre i confini terrestri. Comprendere l'esistenza di fasi superioniche nei nuclei planetari potrebbe illuminare l'evoluzione termica e magnetica di Marte, Mercurio e degli esopianeti rocciosi recentemente scoperti attorno ad altre stelle. La presenza o assenza di campi magnetici su questi corpi celesti, fattore cruciale per la potenziale abitabilità, potrebbe dipendere proprio dalla composizione chimica e dallo stato fisico dei loro nuclei interni. Come osserva Zhang, comprendere questo stato nascosto della materia ci avvicina di un passo alla decodifica dei segreti degli interni planetari simili alla Terra. La ricerca è stata supportata dalla National Natural Science Foundation of China, dal Sichuan Science and Technology Program e dal CAS Youth Interdisciplinary Team, testimoniando l'investimento crescente della comunità scientifica cinese nelle scienze della Terra profonda.
Iscriviti al nostro canale Telegram e rimani aggiornato!