La coesite è un polimorfo della silice che si forma solo a pressioni estremamente elevate:10, 000 volte di più, in media, rispetto alla normale pressione atmosferica. La presenza di coesite indica che il materiale si è spinto verso l'alto attraverso la crosta terrestre dal mantello, o che una cometa, meteora o meteorite ha colpito il sito. La coesite può anche essere creata nelle esplosioni nucleari.

Il meccanismo con cui la silice (SiO2) viene trasformata in coesite è poco compreso dalla comunità scientifica. Ora è stato chiarito dalla simulazione atomistica al computer in uno studio condotto da ricercatori affiliati all'Università di São Paulo (USP) in Brasile, l'Accademia Cinese delle Scienze di Hefei, Cina, e il Centro Internazionale di Fisica Teorica Abdus Salam di Trieste, Italia.

L'articolo, "Percorsi multipli nella transizione di fase indotta dalla pressione di coesite, " è stato pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

"La coesite è biossido di silicio. La sua composizione chimica è la stessa di quella del quarzo. La differenza è che l'alta pressione destruttura il reticolo cristallino caratteristico del quarzo e comprime gli atomi di silicio e ossigeno in un sistema amorfo. Il risultato è un vetro ad alta densità. Una volta che la pressione ha superato una certa soglia, il processo di amorfizzazione diventa irreversibile e il materiale non può più tornare ad una configurazione cristallina, " ha detto Caetano Rodrigues Miranda, un professore presso l'Istituto di Fisica dell'Università di San Paolo (IF-USP) e autore principale dell'articolo.

Ci sono applicazioni commerciali dei risultati, ma per ora, l'interesse principale è usarli come indicatori di scenari di alta pressione. "Coesite è la 'firma' caratteristica di questi scenari, " disse Miranda.

Nello studio, i ricercatori hanno risolto le divergenze esistenti per quanto riguarda la trasformazione della coesite in altre fasi (una fase ottaedrica ad alta pressione, coesite-II e coesite-III) e sono arrivati ​​a un modello coerente con i dati osservativi. Hanno anche descritto i meccanismi molecolari associati a queste trasformazioni. "Sarebbe molto difficile riprodurre in laboratorio le condizioni di alta pressione presenti nel mantello terrestre, " ha detto Miranda. "Abbiamo usato una simulazione al computer, descrivere le interazioni tra gli atomi nel modo più realistico possibile, e mappatura, passo dopo passo, le trasformazioni risultanti dalle variazioni di pressione."

Il modo migliore per seguire questa evoluzione è tramite l'effetto Raman, osservato sperimentalmente nel 1928 dal fisico indiano Chandrasekhara Venkata Raman (1888-1970). L'effetto Raman si riferisce alla diffusione anelastica della luce da parte della materia. Quando un campione viene eccitato da un impulso laser, la maggior parte dei fotoni è dispersa elasticamente, cioè., alla stessa frequenza dei fotoni incidenti, dalle molecole o dagli atomi nel materiale. Però, una piccola parte dei fotoni si disperde in modo anelastico, generalmente con una frequenza inferiore. L'analisi di questa dispersione anelastica mediante spettroscopia Raman determina la composizione e la struttura del materiale. "Si potrebbe dire che fornisce l'impronta digitale del materiale, " ha detto Miranda.

I ricercatori hanno eseguito simulazioni di dinamica molecolare dello spettro Raman per le diverse strutture di coesite sotto varie pressioni. Hanno ottenuto correlazioni tra la struttura del materiale e la pressione esterna, mappando passo dopo passo i molteplici percorsi nella trasformazione della coesite fino a quando non si è completamente amorfizzata, o quelli nelle fasi cristalline della silice ad alta pressione.

"Ogni struttura mostra un modello molto caratteristico nello spettro Raman, "Miranda ha detto. "Come la struttura cambia a causa della variazione di pressione, anche questo schema cambia. E questo ci permette di sapere quali strutture sono presenti e come si trasformano sotto pressione. Il confronto con i risultati sperimentali convalida il modello adottato.

"Lunghezze e angoli di legame, così come i modi vibrazionali atomici, sono variabili fornite dalla procedura. Sebbene sia una struttura amorfa e abbia una configurazione molto meno regolare del quarzo, Per esempio, che è cristallino, coesite ha un'impronta digitale caratteristica nella spettroscopia Raman.

"In un cristallo, le distanze tra gli atomi del reticolo e gli angoli formati dai segmenti che legano i diversi atomi sono sempre gli stessi. Ciò produce un picco chiaramente definito nello spettrogramma. Man mano che il materiale si amorfizza, il picco si trasforma in un altopiano allungato."

Un interessante studio eseguito da Miranda in parallelo consisteva nella "sonificazione" dei dati spettrali raccolti. In questo caso, la "sonificazione" consisteva nel convertire le alte frequenze caratteristiche della luce in basse frequenze tipiche del suono. "La sonificazione consente di utilizzare l'udito invece della vista per analizzare i dati. Dal punto di vista scientifico, il vantaggio di questa procedura è che quando si sentono i suoni, è possibile identificare con maggiore precisione piccole variazioni o dati più complessi. Sono più facili da ascoltare che da vedere. Inoltre, c'è un vantaggio dal punto di vista artistico:la musica può essere composta utilizzando i frammenti sonori ottenuti. Così si può costruire un ponte tra scienza e arte, " disse Miranda (clicca per ascoltare l'audio).

La scoperta della coesite nel cratere Chicxulub sotto la penisola dello Yucatan in Messico è stata una prova significativa che questa formazione geologica è il risultato dell'impatto di una cometa o di un grande asteroide. Il cratere circolare ha un diametro di oltre 180 km, ed è sepolto in profondità sotto la superficie della penisola. Fu scoperto alla fine degli anni '70 da Antonio Camargo (Messico) e Glen Penfield (Stati Uniti), geofisici che cercavano petrolio. Nel 1990, Penfield ha ottenuto campioni di roccia formatasi ad alta pressione che suggerivano che si trattasse di una caratteristica di impatto.

Nel 2016, gli scienziati hanno perforato centinaia di metri sotto il fondo dell'oceano nell'anello di picco del cratere, ottenere campioni di coesite e altre rocce, e quasi chiudendo il dibattito fornendo prove solide che si trattava davvero di un cratere da impatto.

L'impatto che ha prodotto il cratere è stato due milioni di volte più potente del più grande ordigno nucleare mai testato, una bomba all'idrogeno da 58 megatoni nota come Tsar Bomba, fatto esplodere dall'Unione Sovietica nel 1961.

La data dell'impatto, stimato in poco meno di 66 milioni di anni fa, converge con l'ipotesi che lo sconvolgimento climatico mondiale in questo periodo abbia causato un evento di estinzione di massa in cui il 75% delle specie vegetali e animali sulla Terra si è improvvisamente estinto, compresi tutti i dinosauri non aviari. L'impatto avrebbe provocato un mega-tsunami e una colossale onda d'urto, seguito da terremoti, eruzioni vulcaniche, incendi e altri fenomeni su scala globale, compresa una nuvola di polvere e aerosol che copre l'intero pianeta per oltre un decennio.