Nichel Sotto Shock: Sorprese Incredibili dal Cuore (Quasi) della Terra!

Amici appassionati di scienza, preparatevi perché oggi vi porto in un viaggio pazzesco, quasi al centro del nostro pianeta, per parlare di un metallo che tutti conosciamo, il nichel, ma sotto una luce completamente nuova… e che pressione!

Sapete, il nichel non è solo quello delle monetine o delle leghe super resistenti. È un componente bello tosto del nucleo terrestre, quel cuore di ferro fuso (e solido più internamente) che sta laggiù sotto i nostri piedi. Si stima che possa costituirne tra il 5 e il 20% in peso! Capire come si comporta il nichel a pressioni e temperature estreme, simili a quelle del nucleo, è fondamentale per decifrare i segreti più intimi della Terra. E, credetemi, di segreti ce ne sono ancora tanti.

La Sfida: Capire il Nichel a Pressioni Folli

Il problema è che studiare i materiali in queste condizioni è un’impresa titanica. Parliamo di pressioni centinaia di volte superiori a quelle che si trovano nel punto più profondo dell’oceano. Per anni, ci siamo basati su modelli teorici, estrapolazioni da esperimenti a pressioni più “basse” (si fa per dire!), ma dati sperimentali diretti sul nichel puro, soprattutto sulla sua fusione a pressioni da capogiro, erano merce rara. Pensate che la temperatura di fusione del materiale del nucleo è uno dei parametri più incerti, e potrebbe variare anche di 1000 gradi Kelvin a seconda delle impurità presenti insieme al ferro!

Recentemente, poi, i sismologi hanno scoperto che il nucleo interno più interno (sì, un “nucleo nel nucleo”!) ha una struttura complessa, forse dovuta a un diverso allineamento dei cristalli o addirittura a del liquido intrappolato tra i grani solidi. E il nichel, in tutto questo, che ruolo gioca? Potrebbe stabilizzare fasi cristalline diverse da quelle del ferro puro? Come si mescola con il ferro a queste condizioni estreme?

L’Esperimento: Un “Pugno” di Laser e Raggi X per Svelare i Segreti del Nichel

Ed è qui che entriamo in gioco noi, con un esperimento che definire “potente” è riduttivo. Abbiamo preso dei campioni di nichel e li abbiamo letteralmente “schiacciati” usando impulsi laser ad altissima energia. Immaginate un impulso laser così intenso da generare un’onda d’urto che attraversa il nichel, comprimendolo a pressioni fino a circa 500 GPa (Gigapascal). Per darvi un’idea, 1 GPa è circa 10.000 volte la pressione atmosferica! Stiamo parlando di condizioni che si avvicinano a quelle del nucleo terrestre.

Ma come fai a “vedere” cosa succede agli atomi quando sono così compressi? Qui entra in gioco una tecnica potentissima: la diffrazione dei raggi X in situ. Abbiamo usato la Linac Coherent Light Source (LCLS), una sorgente di raggi X incredibilmente brillante e veloce. Mentre il nichel veniva compresso dall’onda d’urto, abbiamo sparato brevissimi impulsi di raggi X attraverso il campione. Questi raggi X, interagendo con la struttura atomica del nichel, vengono “diffratti”, cioè deviati, creando dei pattern specifici. Analizzando questi pattern con metodi sofisticati (come il metodo Rietveld), possiamo determinare la densità del nichel compresso e, soprattutto, la sua struttura cristallina.

Per misurare con precisione la pressione raggiunta, abbiamo combinato diverse tecniche: misure della velocità delle particelle (con un sistema chiamato VISAR), tempi di transito dell’onda d’urto, simulazioni idrodinamiche e calibrazioni dell’intensità del laser. Un lavoro da veri detective della materia!

La Sorpresa: il Nichel “Cubo a Facce Centrate” Resiste Più del Previsto!

E qui arriva la prima, grande sorpresa! Ci aspettavamo che il nichel, a pressioni così elevate, potesse cambiare la sua struttura cristallina o iniziare a fondere molto prima. In condizioni normali, il nichel ha una struttura chiamata “cubica a facce centrate” (fcc). Molti modelli teorici prevedevano che questa struttura diventasse instabile o che il nichel fondesse a pressioni ben inferiori a quelle che abbiamo raggiunto.

E invece? Abbiamo osservato che il nichel solido, nella sua fase fcc, persiste fino ad almeno 332 ± 30 GPa lungo la cosiddetta “Hugoniot” (la curva che descrive lo stato di un materiale sottoposto a un’onda d’urto). Questo è significativamente più alto di quanto la maggior parte delle curve di fusione proposte per il nichel lasciassero presagire! È come scoprire che un materiale che pensavi dovesse “rompersi” o “sciogliersi” a una certa forza, in realtà tiene botta molto, molto di più.

Questa osservazione è cruciale perché suggerisce che la curva di fusione del nichel, ovvero come la sua temperatura di fusione cambia con la pressione, sia molto più “ripida” di quanto si pensasse, specialmente rispetto a quella del ferro.

Quando Inizia la Fusione? Indizi di Nichel Liquido

Ma allora, quando inizia a cedere questo tenace nichel? Spingendo ancora di più le pressioni, abbiamo iniziato a vedere dei cambiamenti nei nostri pattern di diffrazione. Oltre ai picchi netti caratteristici del solido fcc compresso, è comparso un segnale più “diffuso”, una sorta di alone. Questo segnale è tipico della presenza di un liquido. Analizzando la posizione di questo segnale diffuso, abbiamo visto che corrisponde a quello che ci aspetteremmo da nichel fuso ad alta densità.

Grazie a queste osservazioni, siamo riusciti a “incastrare” l’inizio della fusione parziale del nichel: avviene tra i 377 ± 38 GPa e i 486 ± 35 GPa. Quindi, anche l’inizio della fusione avviene a pressioni decisamente più elevate rispetto a molte previsioni. E sembra che la fusione completa avvenga intorno ai 500 GPa, con una coesistenza di solido e liquido per un intervallo di pressione di almeno 45 GPa.

Cosa Significa Tutto Questo per il Cuore della Terra?

Ok, direte voi, interessante, ma perché ci scalmaniamo tanto per questi numerini di GigaPascal? Beh, le implicazioni sono enormi, soprattutto per capire il nucleo terrestre.

• Una curva di fusione più ripida per il nichel: Se il nichel fonde a pressioni (e quindi, indirettamente, a temperature) più alte di quanto si pensasse rispetto al ferro, questo cambia radicalmente il modo in cui i due metalli interagiscono nel nucleo. In pratica, alle condizioni del confine del nucleo interno, il nichel potrebbe essere “più solido” del ferro.
• Mescolamento non ideale con il ferro: Si è sempre pensato che ferro e nichel si mescolassero in modo quasi ideale nel nucleo. Ma se il nichel ha una temperatura di fusione significativamente più alta e mantiene la sua struttura fcc a pressioni così estreme, potrebbero esserci dei contributi “non ideali” all’energia libera di mescolamento. Questo potrebbe portare a un campo di liquidus (la temperatura alla quale una lega inizia a solidificare) più ampio per le leghe ferro-nichel, promuovendo una regione estesa di mescolamento solido-liquido al confine del nucleo interno. Questo potrebbe spiegare alcune delle complesse strutture sismiche osservate!
• Implicazioni per la “neve” di ferro: L’idea che il nucleo interno si stia cristallizzando dal nucleo esterno liquido è ben consolidata. Se il nichel si comporta diversamente da quanto previsto, questo influenza la composizione del solido che si forma e del liquido residuo. Potrebbe persino avere un ruolo nei modelli dinamici che parlano di “sedimenti” o “neve” di ferro che si depositano sul nucleo interno.

I nostri risultati, insomma, forniscono un supporto sperimentale cruciale per una curva di fusione del nichel più ripida e, di conseguenza, una temperatura di fusione più elevata rispetto al ferro alle condizioni del nucleo. Questo è in contrasto con alcuni studi precedenti basati su compressione statica, ma in accordo con recenti lavori computazionali che prevedevano una differenza di temperatura di fusione tra nichel e ferro di circa 700-800 K alle pressioni del nucleo!

Un Passo Avanti, Tante Nuove Domande

Come sempre nella scienza, ogni risposta apre la porta a nuove, affascinanti domande. Questi dati sulla stabilità e sulla fusione del nichel a pressioni estreme sono un tassello fondamentale, ma la storia non finisce qui. Ora c’è bisogno di ulteriori ricerche per capire a fondo l’interazione tra nichel e ferro a queste pressioni da capogiro e come la lega Fe-Ni si comporta nel dettaglio.

Quello che abbiamo fatto è stato spingere i limiti della sperimentazione, utilizzando strumenti all’avanguardia per “fotografare” la materia in condizioni che fino a poco tempo fa erano solo teorizzabili. Ed è incredibile come, studiando un pezzettino di nichel per frazioni di secondo, possiamo imparare così tanto su quel gigante misterioso e rovente che è il cuore del nostro pianeta.

Spero di avervi trasmesso un po’ dell’entusiasmo che proviamo noi scienziati quando ci imbattiamo in scoperte come questa. È un continuo mettere in discussione quello che sappiamo, o crediamo di sapere, per avvicinarci sempre di più alla comprensione dell’universo che ci circonda, dal più piccolo atomo al più grande pianeta!

Fonte: Nature Communications (Originariamente, ma l’articolo fornito è s41467-025-59385-y, presumo un typo nel link originale o un aggiornamento. Uso il link implicito dal nome del file dell’articolo.)
Nota: Il link corretto dell’articolo è https://link.springer.com/article/10.1038/s41467-024-49385-y come da testo, ma il testo fornito ha un abstract che cita s41467-025-59385-y. Ho usato il link originale per coerenza con la richiesta, ma il testo parla di “s41467-025-59385-y”. Per l’articolo effettivo, il DOI corretto è 10.1038/s41467-024-49385-y.
Tuttavia, il testo fornito indica chiaramente “s41467-025-59385-y” nel titolo e nell’abstract. Quindi, il link corretto per l’articolo descritto è:
Fonte: Springer (Nota: il testo fornito si riferisce a s41467-025-59385-y, ma il link punta a s41467-024-49385-y. L’articolo discusso è basato sul contenuto di s41467-025-59385-y).
Dato che il testo fornito è “Stability of the fcc phase in shocked nickel up to 332 GPa” e il link fornito è “https://link.springer.com/article/10.1038/s41467-025-59385-y”, userò quest’ultimo.

Fonte: Springer