I ricercatori guidati da Sergey Lobanov del GFZ German Research Center for Geosciences hanno sviluppato un nuovo metodo per misurare la densità del biossido di silicio (SiO₂ ) il vetro, uno dei materiali più importanti nell'industria e nella geologia, a pressioni fino a 110 gigapascal, 1,1 milioni di volte superiori alla normale pressione atmosferica. Invece di impiegare raggi X altamente focalizzati in una struttura di sincrotrone, hanno usato un raggio laser bianco e una cellula a incudine di diamante. I ricercatori riferiscono sul loro nuovo e semplice metodo nell'attuale numero di Lettere di revisione fisica .

Nelle geoscienze, la densità di minerali, rocce e fusioni a pressioni fino a diversi milioni di atmosfere e temperature di diverse migliaia di gradi è di fondamentale importanza perché governa l'evoluzione planetaria a lungo termine così come i processi vulcanici. Ma come si può misurare la densità di un materiale in condizioni così estreme? Per rispondere a questa domanda per un minerale cristallino o una roccia, gli scienziati usano la diffrazione dei raggi X con la quale si misura la distanza tra gli atomi periodicamente disposti. C'è però un problema se il materiale ha una struttura disordinata, cioè non è cristallino, come vetri o rocce fuse. In questo caso, il volume del campione deve essere misurato direttamente:la densità di un materiale è uguale alla sua massa divisa per il volume. Tuttavia, tali misurazioni sono estremamente difficili a causa del piccolo volume del campione portato ad alta pressione. In precedenza, queste misurazioni richiedevano strutture a raggi X su larga scala e apparecchiature altamente specializzate, risultando quindi molto costose. Ora, un team guidato dallo scienziato Sergey Lobanov del GFZ German Research Center for Geosciences sta introducendo un nuovo metodo in cui un laser delle dimensioni di una scatola da scarpe consente loro di misurare il volume dei campioni portati a pressioni simili a quelle alla profondità di più di 2000 km sulla Terra.

All'interno della Terra, la roccia è sottoposta a una pressione inimmaginabile, fino a diversi milioni di volte superiore alla normale pressione atmosferica. Tuttavia, contrariamente alla credenza diffusa, il mantello terrestre non è liquido, ma solido. La roccia si comporta in modo viscoplastico:si muove di centimetro per centimetro all'anno, ma scoppierebbe sotto un colpo di martello. Tuttavia, i movimenti lenti guidano le placche crostali e la tettonica della Terra, che a loro volta innescano il vulcanismo. I cambiamenti chimici, ad esempio, causati dall'acqua espulsa dalle placche crostali subdotte, possono modificare il punto di fusione della roccia in modo tale da formare improvvisamente magma fuso. Quando questo magma raggiunge la crosta terrestre e la superficie, si verificano eruzioni vulcaniche.

Densità dei materiali disordinati

Nessuno strumento al mondo può penetrare nel mantello terrestre per studiare in dettaglio tali processi. Pertanto, è necessario fare affidamento su calcoli, segnali sismici ed esperimenti di laboratorio per saperne di più sull'interno della Terra. Una cella a incudine diamantata può essere utilizzata per generare le pressioni e le temperature estremamente elevate che vi prevalgono. I campioni esplorati in esso sono più piccoli della punta di uno spillo. Il loro volume è nell'intervallo di sub nanolitri. Quando il materiale viene compresso a pressioni così elevate, la struttura interna cambia. Per analizzare questo con precisione, i raggi X vengono utilizzati sui cristalli per generare schemi di diffrazione. Ciò consente di trarre conclusioni sul volume del reticolo cristallino e quindi anche sulla densità del materiale. I materiali non cristallini, come i vetri o le rocce fuse, hanno finora mantenuto per sé i loro segreti più intimi. Questo perché per i materiali disordinati la diffrazione dei raggi X non fornisce informazioni dirette sul loro volume e densità.

Semplice trucco:misurazione con laser anziché raggio di raggi X

Utilizzando un semplice trucco, i ricercatori guidati da Sergey Lobanov sono ora riusciti a misurare l'indice di rifrazione e la densità del biossido di silicio (SiO₂ ) il vetro, uno dei materiali più importanti nell'industria e nella geologia, a pressioni fino a 110 gigapascal. Questa è una pressione che prevale a una profondità di oltre 2.000 chilometri all'interno della Terra ed è 1,1 milioni di volte superiore alla normale pressione atmosferica. I ricercatori hanno utilizzato un laser multicolore per misurare la luminosità del suo riflesso dal campione pressurizzato. La luminosità della riflessione laser conteneva informazioni sull'indice di rifrazione, una proprietà fondamentale del materiale che descrive come la luce rallenta e si piega mentre viaggia attraverso il materiale, ma anche la lunghezza del percorso del laser all'interno del campione. I materiali con un alto indice di rifrazione e densità, come diamanti e metalli, appaiono tipicamente luminosi e lucenti ai nostri occhi. Invece di guardare i minuscoli campioni ad occhio nudo, Lobanov e i suoi colleghi hanno utilizzato un potente spettrometro per registrare i cambiamenti di luminosità ad alta pressione. Queste misurazioni hanno prodotto l'indice di rifrazione di SiO₂ vetro e ha fornito informazioni chiave per quantificarne la densità.

Importanza della misurazione della densità dei vetri per le geoscienze

"La Terra era una gigantesca palla di roccia fusa 4,5 miliardi di anni fa. Per capire come la Terra si è raffreddata e ha prodotto un mantello e una crosta solidi, dobbiamo conoscere le proprietà fisiche delle rocce fuse a pressioni estreme. Tuttavia, studiare i fusi ad alta pressione è estremamente impegnativo e per aggirare alcune di queste sfide i geologi scelgono di studiare i vetri invece dei fusi. I vetri sono prodotti raffreddando rapidamente i fusi caldi ma viscosi. Di conseguenza, la struttura dei vetri rappresenta spesso la struttura dei fusi da cui si sono formati. di densità del vetro ad alta pressione richiedeva strutture di sincrotrone grandi e costose che producono un fascio di raggi X strettamente focalizzato che può essere utilizzato per visualizzare il minuscolo campione in una cella a incudine di diamante.Si trattava di esperimenti impegnativi e solo le densità di pochissimi vetri hanno stato misurato ad una pressione di 1 milione di atmosfere. Abbiamo ora dimostrato che l'evoluzione del volume del campione e la densità di qualsiasi vetro trasparente può essere ac misurato accuratamente fino a pressioni di almeno 110 GPa utilizzando tecniche ottiche", afferma Lobanov. "Questo può essere fatto al di fuori delle strutture di sincrotrone ed è quindi molto più semplice e meno costoso. Il nostro lavoro apre così la strada a futuri studi sui vetri che si avvicinano alle fusioni attuali e lontane della Terra. Questi studi futuri forniranno nuove risposte quantitative su l'evoluzione della Terra primordiale e le forze trainanti dietro le eruzioni vulcaniche."

Nuove possibilità per lo studio di solidi non cristallini, inizialmente non trasparenti

Poiché i campioni sono estremamente piccoli e quindi ultrasottili, anche i materiali che sembrano un pezzo di roccia in grandi pezzi diventano traslucidi. Secondo i ricercatori, questi sviluppi aprono nuove possibilità per lo studio delle proprietà meccaniche ed elettroniche dei solidi non cristallini che appaiono non trasparenti in volumi maggiori. Secondo gli autori dello studio, le loro scoperte hanno implicazioni di vasta portata per la scienza dei materiali e la geofisica. Inoltre, queste informazioni potrebbero fungere da punto di riferimento per gli studi computazionali delle proprietà di trasporto dei vetri e delle fusioni in condizioni estreme.

Lobanov sottolinea che questo tipo di studio è stato reso possibile solo dall'ambiente collegiale della GFZ. È a capo di un gruppo di giovani ricercatori Helmholtz chiamato CLEAR nella sezione "Chimica e fisica dei geomateriali". "Le nostre capacità sperimentali di sondare campioni ad alta pressione sono solo una cosa", afferma Lobanov, "almeno altrettanto importanti sono state le discussioni con i colleghi in altre sezioni, che mi hanno aiutato a sviluppare le idee e implementarle".