10 Minute
Noi experimente la presiuni foarte mari sugerează că nucleul interior al Pământului nu este un solid tipic, ci un material hibrid superionic: fierul rămâne cristalin, în timp ce elementele ușoare precum carbonul curg prin el ca un lichid. Acest comportament neașteptat oferă o soluție elegantă pentru enigma seismică care a provocat geoscienți decenii la rând.
Nucleul interior al Pământului s-ar putea să nu fie un solid convențional, ci un material superionic în care elementele ușoare se deplasează ca un lichid printr-o rețea rigidă de fier. Experimente recente arată că această stare neobișnuită înmoaie drastic nucleul, explicând indiciile seismice care au nedumerit cercetătorii de zeci de ani.
Un alt tip de solid: ce este materia superionică?
Majoritatea dintre noi ne imaginăm solidele ca fiind rigide și imobile la scară atomică. Materialele superionice sfidează această intuiție. Într-o fază superionică, o subrețea — de obicei formată din atomi grei, precum fierul — păstrează ordinea cristalină pe distanțe lungi, în timp ce atomii mai ușori se pot mișca liber prin spațiile interstițiale, comportându-se mai degrabă ca un fluid. Rezultatul este un material unic, care în anumite privințe este solid, iar în altele seamănă cu un lichid.
Aplicat nucleului interior al Pământului, aceasta înseamnă că o rețea de fier hexagonal compact (hcp) poate rămâne ordonată, în timp ce atomii de carbon difuzează rapid între locurile din rețea. Efectul mecanic este important: rezistența la forfecare scade, undele de forfecare seismice (S) încetinesc, iar coeficientul Poisson aparent crește — proprietăți pe care seismologii le-au observat de mult, însă pe care modelele convenționale pe bază de aliaje obținute la presiuni moderate sau fier pur nu le-au putut explica satisfăcător.
Recrearea condițiilor din nucleu: experimentele de compresie prin șoc
Echipa condusă de prof. Youjun Zhang și dr. Yuqian Huang (Universitatea Sichuan), împreună cu prof. Yu He (Institutul de Geochimie, Academia Chineză de Științe), a folosit o platformă dinamică de compresie prin șoc pentru a supune probe de fier–carbon la presiuni și temperaturi extreme similare cu cele din centrul Pământului. Probele au fost accelerate la aproximativ 7 kilometri pe secundă, generând presiuni maxime în jur de 140 gigapascali și temperaturi apropiate de 2.600 kelvin — condiții comparabile cu cele din nucleul interior.
Aceste experimente la înaltă presiune și temperatură imită condiții indisponibile în mod obișnuit în laboratoarele statice. Platformele dinamice de tipul celor folosite permit măsurători in-situ ale proprietăților acustice și mecanice în timpul șocului, oferind date directe legate de viteza undelor seismice și de modul în care materialele reacționează când sunt supuse unor compresii rapide. Tehnicile avansate combină radiografie X, detectoare de viteză a sunetului și analize spectrale pentru a urmări transformările de fază la scară atomică.
Cum au măsurat efectul
Pe durata expunerii la aceste condiții tranziente dar intense, echipa a combinat măsurători in-situ ale vitezei sunetului cu simulări de dinamică moleculară. Datele experimentale au arătat o scădere pronunțată a vitezei undelor de forfecare și o creștere a raportului Poisson — exact semnăturile seismice înregistrate în studiile profunde ale Pământului. La nivel atomic, simulările și analizele au indicat că atomii de carbon difuzează cu mobilitate asemănătoare lichidului în interiorul unei rețele de fier intacte.
Combinarea datelor experimentale cu simulări atomistice a fost esențială pentru a interpreta rezultatele: măsurătorile singure arată modificări mecanice, dar doar modelarea dinamicii moleculare poate explica cum anume atomii ușori se pot mișca prin canale sau situri interstițiale fără a destabiliza rețeaua cristalină a fierului. Această metodă hibridă de investigație, care îmbină geofizica experimentală cu simulările computaționale, crește încrederea că observațiile seismice pot avea o cauză chimică și structurală clară — prezența fazelor superionice în nucleu.
Atomii de fier formează o structură rigidă hexagonal compactă (hcp), iar un subset dintre acești atomi prezintă mișcări colective de-a lungul direcțiilor [100] și [010]. În cadrul acestei rețele de fier hcp, elementele ușoare interstițiale difuzează liber într-un mod asemănător lichidului, în timp ce elementele ușoare substituționale rămân confinate la pozițiile lor din rețeaua substituțională. Prin urmare, nucleul interior al Pământului există într-o stare hibridă, cu comportament atât solid, cât și asemănător lichidului. Credit: Huang et al.
De ce contează asta pentru seismologie și geodinamo
Seismologii au observat că nucleul interior transmite undele de forfecare mai lent decât s-ar aștepta pentru un metal dens pe bază de fier; raportul Poisson este anormal de mare — apropiat de metale moi sau chiar de materiale plastice, nu de oțel rigid. Modelul superionic oferă o explicație pentru ambele fenomene: carbonul mobil reduce rigiditatea la forfecare fără a distruge ordinea cristalină a fierului, generând astfel amprenta mecanică precisă înregistrată de rețelele seismice.
Pe lângă proprietățile seismice, elementele ușoare mobile pot alimenta sau modula procese interne. Difuzia carbonului și a altor specii ușoare poate contribui la transportul chimic, poate influența anizotropia (viteze seismice dependente de direcție) și poate oferi energie suplimentară, anterior neglijată, pentru geodinamo — mecanismul care menține câmpul magnetic al Pământului. Dr. Huang subliniază că mișcarea la scară atomică din nucleul interior reprezintă o rezervă de energie subtilă, dar potențial importantă, pentru activitatea magnetică planetară.
În termeni fizici, mobilitatea ionică a elementelor ușoare în fazele superionice poate modifica atât conductivitatea termică, cât și conductivitatea electrică locală. Aceste proprietăți influențează transportul de căldură din nucleu și tranzițiile convective care stau la baza generatorului geomagnetic. Modelele convenționale ale geodinamo au presupus în general dependențe bazate pe curgeri macroscopice ale lichidului extern; însă energia eliberată de procese atomice de difuzie și de migrarea elementelor ușoare ar putea avea roluri subtile în reglarea intensității și variabilității câmpului magnetic pe termene lungi.
Consecințe mai largi: interioare planetare și știința materialelor
Descoperirea reconfigurează modul în care modelăm interioarele planetare. Dacă elementele ușoare interstițiale generează faze superionice sub presiuni și temperaturi extreme, un comportament similar ar putea apărea în interiorul altor planete stâncoase sau în mantalele exoplanetelor mari, cu implicații pentru istoria lor termică, câmpurile magnetice și semnăturile seismice. Aceasta deschide perspective noi privind modul în care compoziția chimică și structura cristalografică determină proprietăți macroscopice observabile la suprafață, precum magnitudinea și geometria câmpurilor magnetice sau modul în care se propagate undele seismice.
Pentru știința materialelor, experimentele demonstrează cum tehnicile la condiții extreme pot revela stări de materie neașteptate și pot conduce la descoperirea unor clase noi de materiale de înaltă presiune cu proprietăți mixte de transport (ionic, electronic și termic). Acest tip de cercetare are potențial aplicații în înțelegerea comportamentului aliajelor în medii extreme, dezvoltarea de materiale pentru tehnologiile de fuziune sau pentru aplicații industriale care implică temperaturi și presiuni foarte ridicate.
Mai mult, studiile comparative între planete vor beneficia de această paradigmă: dacă fazele superionice sunt comune, atunci parametrii care definesc evoluția termică a unei planete — cum ar fi conductivitatea termică a stratului interior, ratele de răcire și sinteza minerală — trebuie revizuiți pentru a include transportul eficient de elemente ușoare prin rețele cristaline ale metalelor grele.
Perspective ale experților
„Această lucrare ne oferă un mecanism concret pentru a reconcilia observațiile seismice cu chimia nucleului”, spune o fiziciană planetară fictivă, dr. Elena Morrison, care nu a fost implicată în studiu. „Ideea că carbonul poate comporta ca un fluid cu mișcare rapidă, în timp ce fierul rămâne cristalin, ne obligă să regândim dinamica nucleului interior — și să reexaminăm modelele câmpului magnetic care se bazau pe presupuneri mai conservative.”
Prof. Zhang a sintetizat semnificația pe înțelesul tuturor: „Pentru prima dată, am demonstrat experimental că un aliaj fier–carbon sub condiții de nucleu interior prezintă o viteză de forfecare remarcabil de scăzută. Atomii de carbon devin foarte mobili, difuzând prin cadrul cristalin de fier asemenea copiilor care se strecoară printre dansatori într-o horă, în timp ce fierul în sine rămâne solid și ordonat.”
Privind înainte, lucrările de urmărire vor examina și alte elemente ușoare — oxigen, sulf, siliciu — și vor explora cum afectează chimia mixtă interstițial-substituțional comportamentul superionic. Îmbunătățirea inversiunilor seismice, extinderea experimentelor la presiuni înalte și rafinarea modelelor computaționale vor fi necesare pentru a cartografia compoziția și dinamica nucleului interior cu precizie sporită.
În plus, cercetări viitoare vor urmări să determine pragurile de presiune și temperatură la care apar fazele superionice pentru diferite combinații chimice, să măsoare ratele de difuzie la scară atomică și să cuantifice impactul acestor procese asupra proprietăților elastice și electrice la scară macroscopică. Această abordare va conecta datele de laborator la observațiile geofizice și va permite construcția de modele fizice coerente pentru nucleul intern al Pământului.
Descoperirea comportamentului superionic în regiunea cea mai adâncă a Pământului este mai mult decât un rezultat mineralogic de nișă. Ea leagă fizica de laborator, seismologia, magnetismul planetar și știința materialelor, oferind o explicație unificatoare pentru anomaliile care au persistat decenii întregi — și indicând direcții noi în studiul interioarelor planetare.
Pe măsură ce integrarea dintre experimente la presiune înaltă, simulări avansate și observații seismice devine mai strânsă, așteptările sunt ca înțelegerea noastră asupra nucleului interior să se rafineze semnificativ. Impactul asupra modelării planetare, predictibilității câmpului magnetic și interpretării datelor seismice ar putea schimba paradigmele actuale în geofizică și știința planetelor.
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu