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Un interno esotico per Urano e Nettuno?

Urano e Nettuno
Urano e Nettuno Crediti: Wikipedia Commons

Grazie ad una simulazione, gli scienziati hanno scoperto che Urano, Nettuno e le loro lune potrebbero contenere all'interno sostanze "proibite" dalla chimica classica.

I giganti gassosi sono costituiti principalmente da idrogeno, carbonio ed ossigeno che sono i tre capisaldi della chimica organica ma, gli scienziati dell'istituto russo per la scienza e tecnologia Skoltech hanno scoperto che a pressioni molto elevate, tipiche dell'interno di questi pianeti, si possono formare composti molecolari e polimerici esotici. Tra questi, l'acido carbonico e l'acido ortocarbonico, noto anche come "acido di Hitler" per la forma a svastica della sua struttura molecolare.

Struttura molecolare dell’acido ortocarbonico, noto anche come acido di Hitler.

Struttura molecolare dell’acido ortocarbonico, noto anche come acido di Hitler.
Crediti: Moscow Institute of Physics and Technology

Il team ha utilizzato un potente algoritmo chiamato USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), sviluppato dalla squadra del professor Artem Oganov, responsabile del Computational Materials Discovery Lab del MIPT, per la previsione di composti e di strutture cristalline.
USPEX è stato impiegato negli ultimi anni per scoprire diverse sostanza "proibite" dalla chimica classica ma che possono essere stabili alle alte pressioni. Queste includono un certo numero di varianti precedentemente sconosciute di sali, come Na3Cl, NaCl3, NaCl7, Na3Cl2 e Na4Cl3, così come nuovi ossidi esotici di magnesio, silicio ed alluminio che possono esistere all'interno delle super-Terre.

Ora Oganov, Gabriele Saleh, sempre del MIPT, e colleghi hanno deciso di applicare questo algoritmo per studiare il comportamento chimico del sistema carbonio-idrogeno-ossigeno ad alta pressione.
"E' un sistema estremamente importante perché tutta la chimica organica poggia su questi tre elementi e fino ad ora, non era del tutto chiaro come si comportano sotto pressioni e temperature estreme. Inoltre, essi svolgono un ruolo essenziale nella chimica del pianeti giganti ", ha spiegato Oganov.

Era già noto che alla pressione atmosferica tutti i composti di carbonio, idrogeno ed ossigeno, tranne il metano, l'acqua ed il biossido di carbonio, sono termodinamicamente instabili. Con un aumento della pressione, acqua e anidride carbonica rimangono stabili ma a pressioni superiori a 93 gigaPascals [GPa], 0,93 milioni di atmosfere, il metano inizia a decomporsi formando idrocarburi pesanti,  etano, butano e polietilene. Così i due scienziati si sono impegnati a trovare tutti i composti stabili nel range fino a 400 GPa, circa 4 milioni di atmosfere, scoprendo diverse nuove sostanze.

I risultati hanno dimostrato che ad una pressione superiore a 0.95 GPa, circa 10.000 atmosfere, l'acido carbonico (H2CO3) diventa termodinamicamente stabile, un fatto insolito per una sostanza che è altamente instabile in normali condizioni e che può essere sintetizzata solo sottovuoto a temperature molto basse.

Alcuni satelliti ghiacciati nel nostro Sistema Solare, come Europa, la luna di Giove, potrebbero avere al loro interno condizioni adatte alla formazione dell'acido carbonico.
Ma le implicazioni di questa scoperta vanno ben oltre.
Secondo Oganov, "finora si è ritenuto che gli oceani di queste lune fossero a contatto diretto con il nucleo roccioso creando un'interazione tra i due. Ma lo studio mostra che il nucleo deve essere avvolto in uno strato di acido carbonico cristallizzato il che implica che una reazione chimica tra nucleo ed oceano sarebbe impossibile".

Urano

Nettuno

Crediti: Moscow Institute of Physics and Technology

Quando la pressione sale a 44 GPa, l'acido carbonico viene convertito in un polimero che rimane stabile per almeno 400 GPa. Inoltre, a 314 GPa si può creare una reazione esotermica tra l'acido carbonico e l'acqua, formando acido ortocarbonico (H4CO4), un composto che gli scienziati non sono ancora stati in grado di produrre nei laboratori perché estremamente instabile.
"E' possibile che i nuclei di Nettuno ed Urano possano contenere quantità significative di acido carbonico e acido ortocarbonico", ha sottolineato Oganov.

Novel Stable Compounds in the C-H-O Ternary System at High Pressure [abstract]

The chemistry of the elements is heavily altered by high pressure, with stabilization of many new and often unexpected compounds, the emergence of which can profoundly change models of planetary interiors, where high pressure reigns. The C-H-O system is one of the most important planet-forming systems, but its high-pressure chemistry is not well known. Here, using state-of-the-art variable-composition evolutionary searches combined with quantum-mechanical calculations, we explore the C-H-O system at pressures up to 400 GPa. Besides uncovering new stable polymorphs of high-pressure elements and known molecules, we predicted the formation of new compounds. A 2CH4:3H2 inclusion compound forms at low pressure and remains stable up to 215 GPa. Carbonic acid (H2CO3), highly unstable at ambient conditions, was predicted to form exothermically at mild pressure (about 1 GPa). As pressure rises, it polymerizes and, above 314 GPa, reacts with water to form orthocarbonic acid (H4CO4). This unexpected high-pressure chemistry is rationalized by analyzing charge density and electron localization function distributions, and implications for general chemistry and planetary science are also discussed.

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Elisabetta Bonora

Sono una image processor e science blogger appassionata di astronomia, spazio, fisica e tecnologia, affascinata fin da bambina dal passato e dal futuro.
Dal 2009 elaboro le immagini raw delle missioni spaziali insieme a Marco Faccin ed ho creato questo blog ad agosto 2012, in occasione dello sbarco del rover Curiosity su Marte.
Per lavoro mi occupo di digital advertising, web e video analytics presso Shiny (SV – Italia) ma passo la maggior parte del tempo libero su questo sito e tra i cataloghi delle foto scattate dalle sonde e dai rover inviati nel nostro Sistema Solare "per esplorare nuovi mondi, alla ricerca di nuove forme di vita, per arrivare là dove nessuno è mai giunto prima!" ...Ovviamente, è chiaro, sono una fan di Star Trek!

Sito web: https://twitter.com/EliBonora
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1 commento

  • Link al commento leopoldo Martedì, 13 Settembre 2016 09:51 inviato da leopoldo

    In fisica qual'è la normalità della stabilita?-:-)

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