Calcite Sotto Shock: Viaggio al Cuore di un Minerale Sotto Pressione Estrema!

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo dei minerali, ma non uno tranquillo e statico. Parleremo di cosa succede quando prendiamo un minerale comunissimo, la calcite (il costituente principale di marmi e calcari, per intenderci), e lo sottoponiamo a condizioni… beh, decisamente estreme! Immaginate l’impatto di un meteorite o forze cosmiche potentissime. Cosa succede alla calcite in quei momenti fugaci ma violentissimi?

Il Mistero della Calcite Sotto Impatto

La calcite (formula chimica CaCO3) non è solo una roccia qualunque. La troviamo ovunque sulla Terra, su Marte e persino su alcuni asteroidi. È un po’ come un “magazzino” naturale per l’anidride carbonica (CO2). Per questo, capire come si comporta sotto shock è fondamentale. Pensateci: un grosso impatto potrebbe, in teoria, liberare enormi quantità di CO2 nell’atmosfera, un gas serra potentissimo, sconvolgendo il clima di un pianeta in un batter d’occhio.

Per anni, noi scienziati ci siamo interrogati: quando la calcite subisce un urto violentissimo, cosa fa? Si decompone liberando CO2 (CaCO3 → CaO + CO2)? Oppure si trasforma in qualcos’altro, magari uno stato amorfo, come un vetro o un liquido, senza cambiare chimicamente? Gli studi precedenti davano risposte contrastanti. Alcuni dicevano “si decompone!”, altri “no, fonde o diventa amorfa!”, altri ancora “non succede quasi nulla!”. Un bel rompicapo, vero? Il problema è che durante un impatto, pressione e temperatura schizzano alle stelle e cambiano in frazioni di secondo. Serviva un modo per “fotografare” la calcite proprio *mentre* veniva colpita.

L’Esperimento: Un Laser Potente e Raggi X Super Veloci

Ed è qui che entriamo in gioco noi, con una tecnologia pazzesca. Abbiamo utilizzato un sistema che combina un laser potentissimo per generare un’onda d’urto controllata e un fascio di raggi X incredibilmente breve e intenso (parliamo di femtosecondi, milionesimi di miliardesimi di secondo!) prodotto da un XFEL (X-ray Free-Electron Laser). In pratica, abbiamo “sparato” al nostro campione di calcite con il laser per simulare l’impatto e, quasi istantaneamente, lo abbiamo “illuminato” con i raggi X per vedere come cambiava la sua struttura atomica, il tutto in una scala di tempo di nanosecondi (miliardesimi di secondo).

Abbiamo spinto la pressione fino a circa 234 GPa (Gigapascal), che è una pressione semplicemente mostruosa, milioni di volte quella atmosferica! E le temperature? Beh, abbiamo raggiunto picchi stimati fino a 6300 K, più caldi della superficie del Sole!

Cosa Abbiamo Visto: Amorfizzazione Istantanea!

I risultati sono stati illuminanti! Abbiamo osservato direttamente l’evoluzione della struttura della calcite durante e subito dopo lo shock. Ecco la scoperta chiave:

• A pressioni molto alte (sopra gli 86 GPa): La calcite perde la sua struttura cristallina ordinata e diventa amorfa (come un vetro o un liquido super-raffreddato) durante la fase di compressione dell’urto. È come se l’impatto fosse così violento da “frantumare” l’ordine atomico quasi istantaneamente.
• A pressioni un po’ più basse (attorno ai 33 GPa): L’amorfizzazione avviene comunque, ma non durante la compressione iniziale, bensì nella fase successiva di decompressione, quando la pressione inizia a calare ma la temperatura è ancora alta.

Abbiamo visto i picchi caratteristici della calcite cristallina nei nostri dati di diffrazione a raggi X diventare larghi e diffusi, segno inequivocabile della perdita di ordine a lungo raggio. È pazzesco pensare di poter “vedere” gli atomi riorganizzarsi (o meglio, disorganizzarsi!) in tempi così brevi.

La Grande Sorpresa: Niente Decomposizione (per Ora!)

Ma la vera sorpresa è stata un’altra. Nonostante le pressioni e le temperature elevatissime raggiunte, condizioni in cui ci si aspetterebbe la decomposizione della calcite in ossido di calcio (CaO) e CO2, non abbiamo visto alcuna traccia di CaO nei nostri dati XRD, nemmeno durante la fase di decompressione, quando il materiale si raffredda.

Cosa significa? Significa che, almeno sulla scala temporale dei nanosecondi dei nostri esperimenti, la calcite preferisce diventare amorfa piuttosto che decomporsi chimicamente. Questo ci dice una cosa fondamentale: oltre a pressione e temperatura, anche la durata dello shock (il tempo di reazione) è un fattore critico!

Evidentemente, anche se le condizioni termodinamiche sarebbero favorevoli alla decomposizione, il processo richiede più tempo di quello disponibile durante un urto così breve. La nucleazione e la crescita dei cristalli di CaO semplicemente non fanno in tempo ad avvenire in pochi nanosecondi. Prima si “scioglie” la struttura (amorfizzazione), poi, forse, con più tempo, avverrebbe la decomposizione.

Implicazioni Cosmiche: Micrometeoriti e Asteroidi

Questa scoperta ha implicazioni importanti, soprattutto per capire cosa succede durante gli impatti nello spazio. Una pressione di 33 GPa (la soglia per l’amorfizzazione che abbiamo visto iniziare in decompressione) corrisponde a una velocità d’impatto di circa 4 km/s, una velocità comune per gli asteroidi nella fascia principale. La durata del nostro shock (pochi nanosecondi) è paragonabile a quella causata dall’impatto di particelle piccolissime, delle dimensioni di micrometri o sub-millimetri (la polvere cosmica, i micrometeoriti).

Quindi, i nostri risultati suggeriscono che quando micrometeoriti colpiscono superfici ricche di carbonati (come quelle di alcuni asteroidi, tipo Ryugu, da cui abbiamo campioni grazie alle missioni spaziali!), l’effetto predominante è l’amorfizzazione della calcite, non la sua decomposizione immediata con rilascio di CO2. Questo fenomeno fa parte di quello che chiamiamo “space weathering”, l’alterazione delle superfici planetarie esposte allo spazio.

Se un giorno analizzando i campioni di asteroidi trovassimo “vetro di calcite”, sarebbe una prova diretta di questi eventi di shock ad alta velocità avvenuti nel passato!

In Conclusione: Il Tempo è Tutto!

Questo studio ci ha permesso di osservare “in diretta” cosa succede alla calcite sotto shock estremo. Abbiamo confermato che diventa amorfa a pressioni elevate e, soprattutto, abbiamo dimostrato che la decomposizione in CaO e CO2 non avviene su scale temporali brevissime (nanosecondi), anche a temperature infernali.

Questo sottolinea l’importanza cruciale del tempo di reazione nei processi indotti da shock. Non basta guardare solo a pressione e temperatura! Questi risultati ci aiutano a capire meglio gli impatti dei micrometeoriti, i processi geologici estremi sulla Terra e l’evoluzione delle atmosfere planetarie. È un piccolo tassello in più per comprendere l’incredibile dinamica dei materiali nel nostro universo!

Fonte: Springer