Un innovativo metodo a raggi X consente nuove indagini ad alta pressione di campioni in condizioni di mantello profondo. La tecnica, che è stato sviluppato da un team guidato da Georg Spiekermann di DESY, il Centro di ricerca tedesco per le geoscienze GFZ e l'Università di Potsdam, amplia la gamma di strumenti a disposizione dei ricercatori ad alta pressione. I test di successo del nuovo metodo presso la sorgente di luce a raggi X PETRA III di DESY supportano l'idea che gli elementi pesanti debbano accumularsi nei magmi in modo che possano essere stabili alle profondità del mantello inferiore della Terra. Gli scienziati presentano il loro lavoro sulla rivista Revisione fisica X .

Le cosiddette condizioni standard della chimica, cioè una temperatura di 25 gradi Celsius e una pressione di 1013 millibar, sono in realtà rari in natura. La maggior parte della materia nell'universo esiste in condizioni completamente diverse. All'interno della Terra, Per esempio, la pressione e la temperatura salgono rapidamente a molte volte le condizioni standard. "Però, anche con la perforazione profonda più elaborata, solo la parte più alta della crosta terrestre è accessibile, "Sottolinea Spiekermann. I ricercatori simulano quindi le condizioni dell'interno della Terra in laboratorio al fine di indagare il comportamento della materia in queste condizioni.

Tali esperimenti spesso comportano la determinazione della struttura interna dei campioni, che in molti materiali cambia con l'aumentare della pressione. Questa struttura interna può essere esplorata con raggi X che sono abbastanza energetici da penetrare nel campione e abbastanza corti in lunghezza d'onda per risolvere i piccoli dettagli delle distanze atomiche. Per questo scopo, di solito esistono due metodi basati sui raggi X nella ricerca ad alta pressione:assorbimento e diffrazione dei raggi X attraverso il campione.

Basato sull'emissione di raggi X, Spiekermann e il suo team hanno ora sviluppato un terzo metodo che può essere utilizzato per determinare sia le distanze di legame nella materia amorfa compressa (disordinata) sia il cosiddetto numero di coordinazione, che indica quanti vicini diretti ha un atomo. Questi parametri possono essere letti dall'energia e dall'intensità della radiazione di una certa linea di emissione del campione, chiamata Kβ" ("K-beta-doubleprime"). La radiazione Kβ" viene generata quando il campione viene eccitato con raggi X. L'energia della linea di emissione dipende dal numero di coordinazione, l'intensità sulla distanza di legame.

Gli esperimenti presso la stazione sperimentale P01 presso la sorgente di raggi X PETRA III di DESY hanno confermato il nuovo metodo. "Lo abbiamo dimostrato, utilizzando lo spettro del germanio nel biossido di germanio amorfo compresso, ma questa procedura può essere applicata anche ad altri sistemi chimici, "dice Spiekermann.

Il metodo fornirà agli scienziati una tecnica aggiuntiva per studiare la struttura dei campioni ad alta pressione. "L'intuizione fornita da un nuovo metodo di misurazione è particolarmente apprezzata quando metodi diversi hanno finora prodotto risultati significativamente diversi, come nel caso del biossido di germanio amorfo compresso, " spiega il ricercatore DESY Hans-Christian Wille, capo della stazione di misura P01 presso la quale si sono svolti gli esperimenti.

Per i loro esperimenti, i ricercatori hanno esposto campioni di biossido di germanio (GeO2) a una pressione fino a 100 gigapascal, circa un milione di volte la pressione atmosferica a livello del mare. Questa pressione corrisponde a una profondità di 2200 chilometri nel mantello inferiore della Terra. Le misurazioni mostrano che il numero di coordinazione del biossido di germanio non sale più di sei anche sotto questa pressione estrema. Ciò significa che anche nella fase di alta pressione, gli atomi di germanio hanno ancora sei atomi vicini ciascuno come già a 15 gigapascal.

Questo risultato è di grande interesse per l'esplorazione dell'interno della Terra, perché il biossido di germanio ha la stessa struttura e si comporta come il biossido di silicio (SiO2), che è il componente principale dei magmi naturali in genere. Poiché i fusi come il magma hanno generalmente una densità inferiore rispetto alla forma solida dello stesso materiale, è stato a lungo un mistero il motivo per cui i magmi a grande profondità non salgono verso la superficie durante i periodi geologici.

"Ci sono due possibili spiegazioni per questo, una sostanza chimica, l'altro strutturale, " spiega Spiekermann. "Nella fusione si accumulano elementi pesanti come il ferro, oppure c'è uno speciale meccanismo di compattazione nei fusi che rende i fusi più densi delle forme cristalline della stessa composizione." Quest'ultimo sarebbe evidente, tra l'altro, da un aumento del numero di coordinamento in condizioni di alta pressione.

"Le nostre indagini mostrano che fino a 100 gigapascal il numero di coordinazione nel biossido di germanio non cristallino non è superiore a quello della corrispondente forma cristallina, " riferisce il ricercatore. Applicato al biossido di silicio, ciò significa che il magma con una densità maggiore può essere prodotto solo arricchendo elementi relativamente pesanti come il ferro. La composizione e la struttura del mantello inferiore hanno conseguenze di vasta portata per il trasporto globale di calore e la propagazione del campo magnetico terrestre.