L’ossigeno è la sostanza chiave per la vita e uno degli elementi più abbondanti sulla Terra. Tuttavia, non è ancora noto se l’ossigeno sia presente e in quale forma nel nucleo interno, che è composto da ferro quasi puro e soggetto a condizioni estreme di alta pressione e temperatura.
Ora, gli scienziati rivelano che le leghe Fe ricche di Fe-O sono stabili a pressioni estreme di quasi 300 GPa e ad alte temperature di oltre 3.000° . I risultati dimostrano che l’ossigeno può esistere nel nucleo interno solido, il che fornisce vincoli chiave per un’ulteriore comprensione del processo di formazione e della storia evolutiva del nucleo terrestre. Lo studio, che è stato co-guidato dal Dr. Jin Liu di HPSTAR (il Centro per la Scienza ad Alta Pressione & Tecnologia Ricerca Avanzata) e il Dr. Yang Sun della Columbia University, è stato recentemente pubblicato sulla rivista The Innovation.
Come uno dei luoghi più misteriosi del pianeta, il nucleo solido della Terra si trova nell’ambiente di temperatura e pressione più estreme della Terra, con una pressione di oltre 3 milioni di atmosfere e una temperatura vicina alla superficie del Sole, circa 6000°C. Poiché il nucleo interno è ben oltre la portata degli esseri umani, possiamo solo dedurre la sua densità e composizione chimica dai segnali sismici generati dai terremoti.
Attualmente, si ritiene che gli elementi di luce esistano nel nucleo interno, ma il tipo e il contenuto sono ancora in discussione. Prove cosmochimiche e geochimiche suggeriscono che dovrebbe contenere zolfo, silicio, carbonio e idrogeno. Esperimenti e calcoli hanno anche confermato che questi elementi si mescolano con ferro puro per formare varie leghe di Fe a temperature elevate e condizioni di alta pressione della Terra profonda.
Tuttavia, l’ossigeno, che è strettamente legato a noi, è di solito escluso dal nucleo interno. Ciò è dovuto principalmente al fatto che le leghe Fe-O con composizioni ricche di ferro non sono mai state trovate negli ambienti di superficie o mantello. Il contenuto di ossigeno in tutti gli ossidi di ferro conosciuti è maggiore o uguale al 50% atomico. Anche se le persone hanno cercato di sintetizzare composti di ossido di ferro con composizioni ricche di ferro, tali sostanze non sono mai state trovate ancora. È nucleo interno della Terra così “anossico?” Per rispondere a questa domanda, una serie di esperimenti e calcoli teorici sono stati effettuati in questo studio.
Per essere vicino alla temperatura e alla pressione del nucleo terrestre, il ferro puro e l’ossido di ferro sono stati posizionati sulle punte di due incudini di diamante e riscaldati con un raggio laser ad alta energia. Dopo molti tentativi, è stato trovato che una reazione chimica tra ferro e ossido di ferro si verifica sopra 220-260 GPa e 3000 gradi. I risultati XRD rivelano che il prodotto di reazione è diverso dalla struttura comune ad alta temperatura e ad alta pressione di ferro puro e ossido di ferro.
Una ricerca teorica della struttura cristallina usando un algoritmo genetico ha dimostrato che la lega Fe-O ricca di ferro potrebbe esistere stabilmente a circa 200 GPa. In tali condizioni, le nuove leghe Fe-O formano una struttura esagonale compatta, dove gli strati di ossigeno sono disposti tra gli strati di Fe per stabilizzare la struttura. Un tale meccanismo produce molti accordi compatti che formano una grande famiglia di composti Fe-O con grande entropia configurazionale.