Intervista a Fabrizio Nestola Unipadova - Ecco dove nascono i diamanti


Uno studio coordinato da Fabrizio Nestola dell’Università di Padova e svolto in collaborazione con l'Università di Pavia, il CNR-IGG di Padova, l’Università di Milano, due atenei canadesi (Alberta e British Columbia) ed un ateneo britannico (University College London) ha rinvenuto un piccolo cristallo con composizione CaSiO3 di appena 0,03 millimetri, inglobato all’interno di un frammento di diamante 40 volte più grande, che fornisce preziose informazioni sulle profondità alle quali possono cristallizzare i diamanti e sui processi di subduzione profondi. L’articolo, pubblicato su Nature, individua nel mantello inferiore, a ben 780 Km dalla superficie, la sede di formazione del diamante.

Abbiamo chiesto a Fabrizio Nestola (ricercatore e primo firmatario dello studio) di spiegarci nel dettaglio l'importanza dello studio.

Fabrizio NestolaFoto - Fabrizio Nestola

1) Fabrizio Nestola è Professore Ordinario presso il Dipartimento di Geoscienze dell’Università di Padova e primo firmatario di un recente studio pubblicato sulla rivista Nature. Qual è nel dettaglio il suo lavoro e lo specifico ambito di ricerca? Durante la sua carriera come ricercatore qual è stato il motivo che l’ha spinta principalmente a studiare i diamanti?

 

I miei ambiti di ricerca scientifica sono la mineralogia e la cristallografia. Mi occupo del comportamento della materia alla scala atomica al variare delle condizioni di pressione, temperatura e composizione chimica. Dal 2008-2009, mi occupo dello studio di minerali che vengono intrappolati all’interno dei diamanti durante la loro crescita nelle grandi profondità della Terra. Recentemente mi occupo anche di diamanti di dimensioni nanometriche rinvenuti in particolari meteoriti.

Il motivo per cui mi sono dedicato allo studio dei diamanti è legato al diamante stesso, o meglio alle sue proprietà fisiche (ricordo che il diamante è il materiale che presenta la massima durezza al mondo). In particolare, fino al 2008-2009, la mia ricerca scientifica era concentrata quasi completamente sulla cristallografia di alta pressione: in pratica, utilizzavo uno strumento particolare chiamato “incudine a diamante” che è fondamentale per generare in laboratorio le stesse pressioni che hai all’interno della Terra e questo proprio grazie alle proprietà fisiche eccezionali del diamante.

Sulla sinistra è riportata la cosiddetta "incudine a diamante". Sulla destra sono visibili i cristalli in studio. Credits: Fabrizio Nestola.Foto 2 - Sulla sinistra è riportata la cosiddetta "incudine a diamante". L'incudine è uno strumento utile a riprodurre in laboratorio le enormi pressioni presenti all'interno della Terra grazie a due diamanti contrapposti e situati all'interno dell'incudine. Nel foro scuro centrale indicato con due frecce rosse si ha l'accesso ottico e l'accesso ai raggi X che attraversando quel foro colpiscono i cristalli in studio (visibili nella Figura di destra) e dopo averli attraversati vengono raccolti da un rilevatore. Quando i raggi X colpiscono i cristalli si verifica un fenomeno chiamato "diffrazione a raggi X" e tale fenomeno ci permette di comprendere la posizione degli atomi all'interno della materia. Grazie all'incudine a diamante possiamo aumentare la pressione a nostro piacimento, questo causa uno spostamento degli atomi all'interno della materia (tale spostamento e' alla base di qualsiasi proprietà della materia) che noi possiamo monitorare attraverso i raggi X proprio quando il cristallo è sotto pressione. Grazie a tale tecnica possiamo quindi comprendere come si comporta la materia quando è nelle condizioni di pressione presenti all'interno della Terra. Credits: Fabrizio Nestola

 

Questo mi permetteva di studiare un minerale alle stesse condizioni in cui nasce e si sviluppa all’interno del nostro Pianeta. Poi un giorno, qualcuno mi ha fatto apprezzare alcuni diamanti grezzi (di nessun valore economico) che avevano al loro interno delle bellissime inclusioni di minerali e da quel momento ho dedicato la mia ricerca alla comprensione della relazione di crescita tra diamante e inclusioni, alla loro identificazione, alla determinazione della profondità a cui questa strana coppia (diamante-inclusione) si forma all’interno della terra.

 

2) La sua attività di ricerca sembra essere focalizzata sullo studio delle proprietà fisiche di minerali e composti cristallini e sull’evoluzione della struttura cristallina in condizioni non ambientali, può spiegarci nel dettaglio in cosa consistono le attività di ricerca che vengono svolte presso il dipartimento di Geoscienze dell’Università di Padova e quali sono i campi di applicazione?

 

Come pocanzi spiegato, il principale strumento per lo studio dei minerali in condizioni non ambientali è l’incudine a diamante. Quando si intende studiare un cristallo in condizioni estreme è necessario inserirlo proprio all’interno di tale incudine e attraverso i raggi X vengono studiati e monitorati i movimenti dei singoli atomi all’interno del cristallo quando vengono modificate le condizioni esterne di pressione.

Questo ci permette di capire cosa realmente accade all’interno del nostro Pianeta in quanto non saremmo assolutamente in grado di studiare in modo diretto alcun materiale geologico di grande profondità.

Da un punto di vista geologico, le applicazioni sono molteplici: studiare le variazioni alla scala atomica della materia ci permette di quantificare proprietà termodinamiche come la compressibilità (cioè la variazione del volume di un cristallo in funzione di una variazione di pressione) e l’espansione termica (es.: la variazione del volume di un cristallo in funzione di una variazione di temperatura).

Tali proprietà ad esempio sono fondamentali nella determinazione dei campi di pressione e temperatura di stabilità di un minerale che in parole povere significa…comprendere alle varie profondità nella terra quali minerali e rocce possiamo avere.

Relativamente ad altri ambiti di ricerca e discipline, mi piace evidenziare come studi in incudine a diamante stanno attraendo molta attenzione anche nello studio dei superconduttori in quanto è ormai accettato che un aumento di pressione su un cristallo superconduttore ne migliora le proprietà proprio di superconduzione.

 

3) Recentemente sulla rivista Nature è stato pubblicato lo studio “CaSiO3 perovskite in diamond indicates the recycling of oceanic crust into the lower mantle” che ha dimostrato in maniera empirica che del materiale superficiale della crosta oceanica terrestre è in grado di andare in subduzione fino al mantello inferiore del nostro pianeta. Ci spiega che cos’è il meccanismo della subduzione e perché la perovskite CaSiO3 è l’unico minerale in grado di trasportare dall’alto della crosta terrestre fino a grandi profondità elementi radioattivi come uranio e torio (U e Th)?

 

La subduzione credo sia uno dei processi più importanti in geologia e forse per la nostra intera esistenza. La subduzione è quel processo che fa si’ che una placca terrestre scorra al di sotto di un’altra ed inizi un percorso verso le grandi profondità della Terra.

Se ovviamente una placca terrestre che prima era in superficie ora sta scomparendo all’interno della Terra è evidente che da qualche altra parte del nostro pianeta dovrà formarsi nuova placca.

Grazie alla subduzione si avrà quindi un vero e proprio riciclo di materiale terrestre e con essa si avranno anche scambi di calore, di energia, di fluidi, di gas. Possiamo tranquillamente affermare che la vita sulla Terra è strettamente correlata ai processi di subdzione.

Per quanto riguarda gli elementi uranio e torio, abbiamo osservato in laboratorio che il minerale detto perovskite CaSiO3 ha un assetto atomico che permette l’ingresso al suo interno proprio questi elementi radioattivi. Trasportare questi elementi a grandi profondità significa contribuire alla produzione di calore del mantello terrestre.

 

4) Prima della ricerca, coordinata dal suo team, qual era lo stato della ricerca scientifica in tale specifico campo? Quali erano i problemi irrisolti? Quali obiettivi sono invece stati raggiunti grazie al vostro studio?

Devo ammettere che in questi ultimi quattro anni, diciamo dal 2014, anche grazie alle strumentazioni di elevato profilo tecnologico presenti presso il Dipartimento di Geoscienze e che se sono effettivamente uniche al mondo, abbiamo fatto grandi passi in avanti nel mondo della ricerca sui diamanti.

Abbiamo scoperto che all’interno della Terra vi sono grandi quantità d’acqua e questo era stato previsto ma mai dimostrato (Nature 2014); abbiamo capito come si formano i diamanti super giganti (quelli caratterizzati da dimensioni fino a 3000 carati) a grandi profondità scoprendo anche la presenza di metano e idrogeno molecolare (Science 2016); abbiamo ora (Nature 2018) dimostrato in modo definitivo che la crosta oceanica superficiale può andare fino a circa 800 km di profondità.

Tutti questi temi rappresentano effettivamente dei problemi irrisolti, e le nostre scoperte in qualche modo hanno aiutato a dimostrare che quelle intuizioni e sperimentazioni di laboratorio non erano speculazioni scientifiche ma fotografavano probabilmente la realtà.

 

5) Studiare il sottosuolo terrestre a grandissime profondità rappresenta una sfida importante anche dal punto di vista delle tecnologie di analisi impiegate. Quali strumenti/mezzi e metodi sono stati impiegati per ottenere i risultati del vostro studio?

 

In particolare, in questo studio appena pubblicato su Nature, la tecnologia ovviamente gioca un ruolo fondamentale. Nel dettaglio, si è fatto uso delle tecniche di (a) micro-diffrazione a raggi X, (b) microscopia micro-Raman e (c) microscopia elettronica a scansione per identificare in modo definitivo il tipo di inclusione all’interno del diamante; si è utilizzata la microsonda elettronica per determinare la composizione chimica del minerale alla scala di 0,001 millimetri; si è utilizzata la microsonda ionica per studiare i rapporti isotopici del carbonio del diamante, la spettrometria infrarossa per determinare il contenuto in impurezze di azoto all’interno del diamante (e classificare proprio il tipo di diamante) e la catodoluminescenza per studiare i settori di crescita del diamante stesso.

 

6) Quali sono ancora le ipotesi da convalidare attraverso esperimenti di laboratorio e quali sono le sfide da vincere?

 

Direi che in laboratorio è stato fatto moltissimo per quanto riguarda l’interno della Terra. Mi spiego meglio: credo che in laboratorio si siano ottenute praticamente tutte le condizioni di temperatura e pressione per simulare quello che dovremmo avere all’interno della Terra e il quadro che attualmente abbiamo è decisamente uno scenario plausibile.

Quello che ancora manca invece è la controprova naturale di tutti quegli esperimenti: ad esempio, non abbiamo ancora trovato sulla Terra quello che viene considerato, sulla base degli esperimenti di laboratorio, il minerale più abbondante del nostro pianeta, la bridgmanite MgSiO3.

La bridgmanite è stata trovata in alcune meteoriti che hanno subito degli impatti di altissima pressione nello spazio e si ritiene che si sia formata proprio per tali impatti. Tuttavia, sulla Terra questo importante minerale non è mai stato trovato e l’unico modo per trovarlo è senza dubbio lo studio dei diamanti super profondi. La sfida è appena iniziata!



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