Trasformare una delle gemme più rare e preziose al mondo – il diamante – in uno dei più dannosi gas serra – il metano – non sembra un’idea brillante.
Eppure ci è riuscito un gruppo di studiosi dell’Università di Bologna, dell’Università di Edimburgo (Regno Unito), del Centre National de la Recherche Scientifique (Francia) e dello HPSTAR (Cina). E non è stato un errore maldestro: il risultato – pubblicato su Nature Communications – potrebbe aiutarci a conoscere meglio il ciclo profondo del carbonio e la formazione di idrocarburi tramite processi abiotici (cioè non legati ad attività biologica) nelle profondità della Terra.
Nonostante rappresenti almeno il 90% del totale del ciclo del carbonio, la sua parte profonda – che avviene cioè al di sotto della superficie terrestre – è oggi quella meno conosciuta. Questo fenomeno è però fondamentale per la presenza di vita sul nostro pianeta, perché permette al carbonio presente nelle profondità del pianeta di tornare nell’atmosfera.
“La possibile formazione di diamanti a partire dalla decomposizione del metano è un processo noto, ma il fenomeno inverso, ovvero la formazione di metano dalla reazione tra diamante e idrogeno, era finora un tassello mancante per la comprensione del ciclo profondo del carbonio”, spiega Alberto Vitale Brovarone, professore al Dipartimento di Scienze Biologiche, Geologiche e Ambientali dell’Università di Bologna, tra gli autori dello studio.
Parte del ciclo profondo del carbonio è infatti anche la possibile formazione di idrocarburi come il metano attraverso processi indipendenti da attività biologiche, una teoria estremamente controversa da più di un secolo. I ricercatori hanno esplorato questa possibilità, e lo hanno fatto partendo dai diamanti: gemme presenti nel mantello terrestre e composte da atomi di carbonio ordinati.
Gli studiosi hanno utilizzato un apparato sperimentale chiamato “cella a incudine diamante”, che permette di generare altissime pressioni comprimendo due punte di diamante una contro l’altra: in questo modo è stato possibile ricreare livelli di pressione simili a quelli presenti nel mantello superiore del nostro pianeta, a più di 70 chilometri di profondità. A questo punto, inserendo all’interno dell’apparato sperimentale un’atmosfera di idrogeno puro riscaldata ad oltre 300 °C, i ricercatori hanno osservato la rapida formazione di metano, le cui molecole sono formate da un atomo di carbonio e quattro di idrogeno (CH4).
“Ricreando condizioni di pressione e temperatura simili a quelle del mantello superiore terrestre, abbiamo osservato che l’interazione tra diamanti e idrogeno produceva metano nel giro di pochi secondi”, conferma Vitale Brovarone. “Questo dimostra che idrocarburi come il metano si possono formare a grandi profondità in assenza di attività biologica: un fenomeno che potrebbe avere un ruolo fondamentale nel ciclo profondo del carbonio”.
Il gruppo di ricerca ha ripetuto lo stesso esperimento anche aggiungendo della grafite – composta anch’essa da carbonio puro – e in altro caso inserendo un materiale carbonioso simile al vetro. In entrambi i casi, è stata osservata ancora la formazione di metano, in quantità maggiori e in tempi più rapidi rispetto a quanto accaduto utilizzando solo i diamanti. Risultati che suggeriscono come i materiali grafitici a base di carbonio possono essere reagenti particolarmente efficaci e possono quindi agire come fonti di energia che alimentano le riserve di metano presenti nel sottosuolo terrestre.

Al momento non lavoro per nessun itistuto (in cerca di lavoro/affiliazione). Reference completa: Peña-Alvarez, M., Brovarone, A.V., Donnelly, ME. et al. In-situ abiogenic methane synthesis from diamond and graphite under geologically relevant conditions. Nat Commun 12, 6387 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-26664-3

Autore del post: Università di Bologna - ufficio stampa

Istituto di appartenenza: Al momento non lavoro per nessun itistuto (in cerca di lavoro/affiliazione).

Ruolo: Press Officer - Brains in Italy

Doi originale: https://doi.org/10.1038/s41467-021-26664-3

Link diretto alla fonte: https://www.nature.com/articles/s41467-021-26664-3

Articolo Divulgativo in Inglese:
Imagine turning the rarest and most valuable gem of the world - the diamond - into one of the most dangerous greenhouse gases - methane. It doesn't seem to be the most brilliant idea ever. Even though, a group of researchers did it. They are from the University of Bologna (Italy), the University of Edinburgh (United Kingdom), the Centre National de la Recherche Scientifique (France), and the HPSTAR (China). It wasn't a clumsy mistake: the results could help us to know better the deep carbon cycle and the hydrocarbon formation through abiotic processes (i.e. not related to biological activity) in the depths of the Earth. Although it represents 90% of the total carbon cycle, its deep part - which occurs under the Earth's surface - is today the least known. This phenomenon is fundamental for the living presence on our planet because it allows the carbon present in the planet's depths to come back to the atmosphere. "The possible formation of diamonds starting from methane is a known process, but the opposite phenomenon - that is the formation of methane from the reaction of diamond with hydrogen - was a missing piece for the understanding of the deep carbon cycle", explains Alberto Vitale Brovarone, professor at the Department of Biological, Geological, and Environmental Sciences at the University of Bologna. Part of the deep carbon cycle might be also represented by the possible formation of hydrocarbons like methane through processes that are independent of biological activity. This is a controversial theory from over a century. The researchers explored this possibility starting from diamonds: gems present in the Earth's mantle and made of carbon atoms placed in a neat structure. The researchers used an experimental system called "diamond anvil cell", which allows generating extremely high pressures by compressing two diamond spearhead against each other. In this way, it was possible to recreate pressure levels similar to those present in the Earth's upper mantle, at more than 70 kilometers of depth. At this point, inserting in the experimental system an atmosphere of pure hydrogen warmed up at 300°C, the researcher observed the quick formation of methane - its molecules are made of one carbon atom and four hydrogen atoms (CH4). "Simulating temperature and pressure conditions similar to those in the Earth's upper mantle, we observed that the interaction between diamonds and hydrogen produced methane in few seconds", confirms Vitale Brovarone. "This demonstrates that hydrocarbons as methane can be made at high depths in absence of biological activity: a phenomenon that could have a fundamental role in the deep carbon cycle". The researchers repeated the experiment by adding graphite - made of pure carbon atoms as well - and, in another case, inserting a carbonaceous material similar to glass. In both cases, they observed the methane formation as well, but in greater quantity and quicker times than when using only diamonds. The results suggest that carbon-based graphite materials can be efficacious reagents and, then, act as energy sources that feed the methane reservoir present in the terrestrial subsoil.