Ferro gamma intatto nel vetro da impatto di Chang'e-6

Un fossile magnetico nel vetro da impatto

Secondo lo studio, le particelle di ferro andavano da meno di 10 nanometri a circa 140 nanometri e contenevano pochissimo nichel. I ricercatori hanno selezionato tre particelle contenenti ferro da un campione di suolo di Chang'e-6: due frammenti di vetro da impatto e un frammento di basalto. Con tecniche a fascio ionico focalizzato hanno ricavato sezioni sottili per la microscopia elettronica a trasmissione. Nei due frammenti di vetro, particelle sferiche di ferro metallico erano inglobate in una matrice ricca di silice. L'imaging ad alta risoluzione e la diffrazione hanno rivelato sia ferro alfa sia ferro gamma.

La sorpresa è stata la struttura. Su 50 particelle esaminate a caso nei due campioni di vetro da impatto, il ferro gamma era dominante: rappresentava il 64% di quelle analizzate in un campione e il 76% nell'altro. Il frammento di basalto si è comportato come previsto: il suo grano di ferro metallico, molto più grande, era interamente di ferro alfa, coerente con una formazione durante il normale raffreddamento del magma e non con un impatto violento.

Il ferro gamma puro ha una struttura atomica cubica a facce centrate ed è normalmente stabile solo tra circa 912 e 1.394 gradi Celsius a bassa pressione. Durante il raffreddamento ordinario si trasforma nella fase alfa, cubica a corpo centrato. Trovarlo intatto nel suolo lunare era quindi inatteso. Le particelle sono sopravvissute dentro il vetro formatosi negli impatti.

Come gli impatti possono aver congelato la struttura

I ricercatori ipotizzano che due condizioni abbiano agito insieme. La prima è la presenza di piccole quantità di elementi capaci di stabilizzare la fase cubica a facce centrate. Il nichel può svolgere questo ruolo, ma le particelle contenevano meno dello 0,8% di nichel in peso, molto sotto i livelli tipici della taenite, la lega ferro-nichel cubica a facce centrate. Il carbonio è quindi il candidato principale. Ricerche di laboratorio hanno mostrato che piccole quantità possono stabilizzare il ferro gamma su scala nanometrica a temperatura ambiente, e in campioni lunari è già stato identificato materiale da impattore ricco di carbonio.

La seconda condizione è un raffreddamento estremamente rapido. Gli impatti di meteoriti generano un riscaldamento intenso e di breve durata che può fondere il suolo lunare. Su una Luna senza atmosfera, minuscole gocce e frammenti possono poi perdere calore molto in fretta. Il raffreddamento rapido può impedire agli atomi di riorganizzarsi nella struttura più stabile del ferro alfa. Il vetro da impatto circostante può anche intrappolare meccanicamente le particelle. Le differenze di contrazione termica tra ferro e vetro possono lasciare le nanoparticelle in tensione, contribuendo forse a stabilizzarne sia la struttura sia il comportamento magnetico.

Cosa può e cosa non può mostrare il ferro

L'olografia elettronica ha mostrato che le particelle di ferro gamma più grandi possono formare stati magnetici stabili a vortice. Potrebbero quindi conservare informazioni magnetiche antiche accanto ai più noti minerali di ferro lunari. "Questo piccolo fossile magnetico può aiutarci a capire meglio l'antica storia magnetica della Luna", ha detto Long Li, membro del gruppo.

Oggi la Luna non ha un campo magnetico globale, ma parti della sua crosta restano magnetizzate e conservano tracce dei campi esistiti miliardi di anni fa. Gli scienziati si sono basati tradizionalmente sul ferro alfa metallico e sulle leghe ferro-nichel come registratori magnetici nelle rocce lunari. Secondo i ricercatori, il ferro gamma potrebbe in futuro aiutare a separare i segnali magnetici lasciati dall'antica dinamo del nucleo lunare dai campi generati durante i grandi impatti. Aggiungono però che questa possibilità resta non dimostrata.

Chang'e-6 ha riportato nel 2024 i primi campioni mai raccolti dal lato lontano della Luna, dal cratere Apollo all'interno del bacino Polo Sud-Aitken, una delle strutture da impatto più antiche e profonde della Luna. La missione ha riportato 1.935 grammi di suolo. Fino ad allora ogni campione lunare riportato proveniva dal lato vicino. La scoperta, pubblicata su Proceedings of the National Academy of Sciences, viene da un gruppo internazionale guidato in parte da scienziati dell'High Magnetic Field Laboratory dell'Accademia cinese delle scienze.