Gli scienziati stimano che il mantello terrestre trattiene tanta acqua quanto tutti gli oceani del pianeta, ma capire come si comporta quest'acqua è difficile. L'acqua nel mantello esiste ad alta pressione e a temperature elevate, condizioni estreme difficili da ricreare in laboratorio.

Ciò significa che molte delle sue proprietà fisiche e chimiche, rilevanti per comprendere la produzione di magma e il ciclo del carbonio della Terra, non sono completamente comprese. Se gli scienziati potessero comprendere meglio queste condizioni, li aiuterebbe a comprendere meglio le conseguenze del ciclo del carbonio per il cambiamento climatico.

Un team guidato dalla Prof.ssa Giulia Galli e dal Prof. Juan de Pablo della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell'Università di Chicago e dal Prof. Francois Gygi dell'Università della California, Davis ha creato complesse simulazioni al computer per comprendere meglio le proprietà del sale nell'acqua in condizioni di mantello.

Accoppiando tecniche di simulazione sviluppate dai tre gruppi di ricerca e utilizzando codici sofisticati, il team ha creato un modello di acqua salata basato su calcoli di meccanica quantistica. Utilizzando il modello, i ricercatori hanno scoperto cambiamenti molecolari chiave relativi alle condizioni ambientali che potrebbero avere implicazioni nella comprensione dell'interessante chimica che si trova in profondità sotto la superficie terrestre.

"Le nostre simulazioni rappresentano il primo studio dell'energia libera dei sali nell'acqua in pressione, " disse Galli. "Ciò pone le basi per comprendere l'influenza del sale presente nell'acqua ad alta pressione e temperatura, come le condizioni del mantello terrestre." I risultati sono stati pubblicati il ​​16 giugno sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Importante nelle interazioni fluido-roccia

Comprendere il comportamento dell'acqua nel mantello è impegnativo, non solo perché è difficile misurarne le proprietà sperimentalmente, ma poiché la chimica dell'acqua e dell'acqua salata differisce a temperature e pressioni così estreme (che includono temperature fino a 1000K e pressioni fino a 11 GPa, 100, 000 volte più grande che sulla superficie terrestre.)

Mentre Galli aveva precedentemente pubblicato ricerche sul comportamento dell'acqua in tali condizioni, lei e i suoi collaboratori presso il Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM) hanno ora esteso le loro simulazioni al sale nell'acqua, riuscendo a prevedere proprietà molto più complesse di quanto studiato in precedenza.

Le simulazioni, eseguita presso il Research Computing Center di UChicago utilizzando codici ottimizzati supportati da MICCoM, hanno mostrato cambiamenti chiave delle interazioni ione-acqua e ione-ione in condizioni estreme. Queste interazioni ioniche influenzano la superficie di energia libera del sale nell'acqua.

Nello specifico, i ricercatori hanno scoperto che la dissociazione dell'acqua che si verifica a causa dell'alta pressione e della temperatura influenza il modo in cui il sale interagisce con l'acqua e, a sua volta, come dovrebbe interagire con le superfici delle rocce sulla superficie terrestre.

"Questo è fondamentale per comprendere le reazioni chimiche alle condizioni del mantello terrestre, " ha detto de Pablo.

"Speriamo ora di utilizzare le stesse tecniche di simulazione per una varietà di soluzioni, condizioni, e altri sali, " disse Gigi.