Diffusionless (martensitic) phase transition of Fe90Ni10 alloy up to 6 GPa
Questo studio utilizza la diffrazione di raggi X da sincrotrone in situ per dimostrare che la lega Fe90Ni10 subisce una transizione martensitica senza diffusione da fasi fcc a bcc sotto pressioni fino a 6 GPa, rivelando una dipendenza negativa della temperatura di trasformazione dalla pressione e stabilendo che questo meccanismo rapido, piuttosto che la lenta separazione chimica, governa le risposte fisiche dei piccoli nuclei planetari agli eventi dinamici.
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Immaginate l'interno del nostro pianeta come una gigantesca cucina in fermento dove gli ingredienti sono principalmente ferro e un pizzico di nichel. Nel profondo, la pressione è così immensa che è come essere schiacciati da una montagna, e il calore è più caldo di un vulcano. In questo ambiente estremo, gli atomi che compongono il metallo non stanno semplicemente fermi; danzano, cambiando le loro posizioni per formare diverse strutture cristalline, proprio come l'acqua può essere ghiaccio, liquido o vapore a seconda della temperatura. Gli scienziati chiamano questi cambiamenti "transizioni di fase". Comprendere esattamente quando e come questi metalli cambiano i loro passi di danza è fondamentale perché ci aiuta a capire come funzionano i nuclei di pianeti come la Terra, Marte o persino piccole lune. Se sappiamo come si comporta il metallo, possiamo capire come questi pianeti generano campi magnetici, come si raffreddano nel corso di miliardi di anni e perché tremano o rimbombano durante terremoti o impatti di asteroidi.
Ora, immaginate un team di ricercatori dell'Università di Tohoku che ha deciso di giocare a "pentola a pressione" con una ricetta specifica: una lega composta dal 90% di ferro e dal 10% di nichel. Volevano vedere cosa succede quando si schiaccia questa miscela metallica fino a 6,2 gigapascal (ovvero circa 62.000 volte la pressione dell'aria che respiriamo) e la si scalda fino a quasi 1.500 Kelvin. Di solito, gli scienziati pensavano che, man mano che questo metallo si raffreddava, gli atomi si sarebbero spostati lentamente, separandosi in gruppi diversi per trovare uno stato confortevole e bilanciato. Ma gli autori di questo studio hanno scoperto qualcosa di molto più drammatico e improvviso. Invece di un lento e pigro rimescolamento, gli atomi hanno eseguito una transizione "martensitica". Pensate a un improvviso e sincronizzato scatto di un elastico. Gli atomi non hanno avuto il tempo di vagare alla ricerca di nuovi vicini; invece, hanno tutti cambiato posizione contemporaneamente, come una folla di persone che improvvisamente passa da una formazione quadrata a una forma diversa senza che nessuno lasci il proprio posto.
I ricercatori hanno scoperto che questo "scatto" avviene a una temperatura specifica che scende all'aumentare della pressione. Hanno tracciato una linea di confine che mostra esattamente quando avviene questo rapido cambiamento, scoprendo che la temperatura per questo spostamento è di circa 200 gradi superiore rispetto a quanto ipotizzato in alcuni studi precedenti. Perché questa differenza? Si scopre che quegli studi precedenti osservavano il metallo mentre veniva riscaldato (lo scatto inverso), mentre questo team lo ha osservato mentre si raffreddava (lo scatto diretto). Proprio come richiede uno sforzo extra spingere una porta pesante per aprirla rispetto a lasciarla oscillare per chiuderla, questi scatti atomici hanno una "isteresi termica", il che significa che la temperatura necessaria per iniziare il cambiamento dipende dalla direzione in cui si procede.
Questa scoperta è un grande passo avanti per la comprensione dei piccoli nuclei planetari, come quelli di Mercurio, Marte, la Luna e Ganimede. Poiché questi pianeti esistono da miliardi di anni — tempo sufficiente affinché gli atomi si rimescolino lentamente in un equilibrio perfetto e separato — i loro nuclei sono costantemente scossi da maree, correnti di convezione e impatti di asteroidi. Questi sono eventi rapidi e dinamici. Lo studio suggerisce che durante questi momenti veloci e caotici, il nucleo metallico non ha il tempo di fare il lento rimescolamento. Invece, si comporta secondo le regole di questo scatto improvviso e privo di diffusione. Ciò significa che il nucleo rimane in uno stato più stabile e uniforme per più tempo di quanto pensassimo, il che cambia il modo in cui modelliamo le risposte fisiche di questi piccoli mondi agli eventi violenti che sperimentano. Gli autori concludono che l'aggiunta di solo il 10% di nichel espande significativamente l'intervallo di temperature in cui questa struttura uniforme rimane stabile, agendo come uno scudo che mantiene la struttura del metallo robusta anche quando le cose si fanno un po' fredde o vengono schiacciate con forza.
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