(a) Tetrairon (III) ortocarbonato Fe4C3O12 e (b) diferro (II) diferro (III) tetracarbonato Fe4C4O13, a temperatura ambiente e 74(1) e 97(2) GPa, rispettivamente. In un), tre prismi bivestiti in FeO8 (verde chiaro) e tre tetraedri di CO4 (marrone) formano un anello con simmetria tripla grazie alla condivisione degli angoli e dei bordi. Gli anelli formano strati che sono impilati lungo l'asse c. I prismi FeO6 (verde scuro) sono collegati da basi triangolari e si trovano nei canali creati dagli anelli. In (b), I prismi a doppia calotta FeO8 (blu) sono collegati in una struttura 3D da dimeri di prismi monocappotto FeO7 (verde chiaro) e catene C4O1310- a forma di zigzag (marrone). Credit:Valerio Cerantola
Esaminare le condizioni all'interno della Terra è fondamentale non solo per darci una finestra sulla storia della Terra, ma anche per comprendere l'ambiente attuale e il suo futuro.
Questo studio, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , offre una spiegazione della discesa del carbonio nelle profondità della Terra. "Le regioni di stabilità dei carbonati sono fondamentali per comprendere il ciclo del carbonio profondo e il ruolo della Terra profonda nel ciclo globale del carbonio". dice Leonid Dubrovinsky, dell'Università di Bayreuth.
È qui che l'ESRF, il sincrotrone europeo di Grenoble, Francia. entra. "Gli intensi raggi X dell'ESRF ci consentono di accedere alle condizioni estreme all'interno dell'intero mantello terrestre". sottolinea Valerio Cerantola, autore principale, ex studente di dottorato presso l'Università di Bayreuth e ora scienziato post-dottorato presso l'ESRF.
Nel secolo scorso, il rapido aumento della quantità di CO2 nell'atmosfera insieme ai cambiamenti climatici osservati hanno focalizzato sempre più l'attenzione degli scienziati sul ciclo del carbonio e sulla sua evoluzione sulla superficie terrestre. Il ciclo del carbonio si estende anche sotto la superficie:stime recenti individuano fino al 90% del bilancio del carbonio terrestre nel mantello e nel nucleo terrestre. A causa della natura dinamica dei movimenti delle placche tettoniche, convezione e subduzione, c'è un costante riciclo di carbonio tra la superficie terrestre e il suo interno profondo.
Valerio Cerantola, autore corrispondente presso il laboratorio ad alta pressione della linea di luce ESRF ID18. Credito:ESRF/C.Argoud
In questo studio, il gruppo di ricerca si è concentrato sulle fasi carbonatiche, che sono uno dei principali minerali contenenti carbonio nel mantello profondo. I carbonati sono un gruppo di minerali che contengono lo ione carbonato (CO32-) e un metallo, come ferro o magnesio. Gli scienziati hanno studiato il comportamento di un carbonato di ferro puro, FeCO3 (chiamato siderite), a condizioni estreme di temperatura e pressione che coprono l'intero mantello terrestre, che significa oltre 2500 K e 100 GPa, che corrisponde a circa un milione di volte la pressione atmosferica.
"Questo carbonato di ferro è di particolare interesse a causa della sua stabilità in condizioni di mantello inferiore a causa della transizione di spin. Inoltre, la chimica dei cristalli dei carbonati ad alta pressione è drammaticamente diversa da quella in condizioni ambientali". spiega Elena Bykova, dell'Università di Bayreuth.
Per studiare la stabilità di FeCO3, il team di ricerca ha eseguito esperimenti ad alta pressione e ad alta temperatura su tre linee di luce ESRF:ID27, ID18 e ID09a (ora ID15b). "La combinazione delle molteplici tecniche ci ha fornito set di dati unici che alla fine ci hanno permesso di scoprire nuovi portatori di C all'interno della Terra profonda e mostrare il meccanismo dietro la loro formazione", afferma Cerantola. Una corsa sperimentale è stata condotta sulla linea di luce 13ID-D dell'APS.
Valerio Cerantola, autore corrispondente e scienziato post-dottorato presso l'ESRF, alla linea di luce ad alta pressione ESRF ID27. Attestazione:ESRF
Riscaldando FeCO3 alle temperature geotermiche della Terra a pressioni fino a circa 50 GPa, FeCO3 si è parzialmente dissociato e ha formato vari ossidi di ferro. A pressioni più elevate, sopra ~75 GPa, gli scienziati hanno scoperto due nuovi composti:tetrairon (III) ortocarbonato, Fe43+C3O12, e diferro (II) diferro (III) tetracarbonato, Fe22+Fe23+C4O13 (Figura 1). ?
"C'erano alcune previsioni teoriche, ma finora le informazioni sperimentali sulle strutture dei carbonati ad alta pressione sono state troppo limitate (e in effetti controverse) per speculare sulla cristallochimica dei carbonati. I nostri dati mostrano che mentre la struttura cristallina di Fe22+Fe23+C4O13 può essere trovata nei silicati, in natura non si trovano analoghi di Fe43+C3O12", sottolinea Bykova.
Hanno anche scoperto che una fase, il tetracarbonato Fe4C4O13, mostra una stabilità strutturale senza precedenti e mantiene la sua struttura anche a pressioni lungo l'intera geotermia a profondità di almeno 2500 km, che è vicino al confine tra il mantello e il nucleo. Ha così dimostrato che le reazioni di auto-ossidazione-riduzione possono preservare i carbonati nel mantello inferiore della Terra? (Figura 1, a e b). "Lo studio mostra l'importanza delle reazioni di ossidazione e riduzione (redox) nel ciclo profondo del carbonio, che sono inevitabilmente legati ad altri cicli volatili come l'ossigeno." sottolinea Catherine McCammon, dell'Università di Bayreuth.
