Sintesi ad alta pressione di U2[CO3]3 e U[CO3]2 come potenziali fasi ospiti per l'uranio nel mantello terrestre

Calore nascosto nelle profondità della Terra

Gran parte del calore interno della Terra proviene dal lento decadimento radioattivo di elementi come l'uranio. Questo calore alimenta la tettonica a zolle, sostiene l'attività vulcanica e plasma il pianeta su scale temporali di miliardi di anni. Tuttavia gli scienziati non sanno ancora con precisione dove e in quale forma l'uranio sia immagazzinato nel profondo del mantello. Questo studio esplora una possibilità inattesa: che alcuni materiali ricchi di carbonio nelle profondità terrestri possano nascondere l'uranio all'interno di minerali a base di carbonio, contribuendo a spiegare come viene generato il calore e come gli elementi si muovono nell'interno della Terra.

Perché conta la dimora profonda dell'uranio

Le misure di particelle elusive chiamate geoneutrini mostrano che l'uranio fornisce una quota significativa del calore interno della Terra. Vicino alla superficie, l'uranio si trova in vari minerali, spesso legato all'ossigeno in forme note come uraninite e carbonati uranilici. Ma il mantello — lo spesso strato roccioso tra crosta e nucleo — è diverso. I minerali più comuni del mantello non accettano facilmente grandi quantità di uranio, quindi devono esistere altri ospiti più insoliti. Allo stesso tempo, sappiamo da diamanti ed esperimenti ad alta pressione che parti del mantello profondo possono essere sorprendentemente ricche di carbonio. Questo solleva una domanda fondamentale: i minerali carbonatici, costituiti da gruppi di carbonio e ossigeno, potrebbero trattenere l'uranio sotto le immense pressioni e alte temperature presenti a centinaia di chilometri di profondità?

Ricreare il profondo della Terra in laboratorio

Per verificare questa ipotesi, i ricercatori hanno ricreato condizioni analoghe a quelle della zona di transizione terrestre, a circa 600 chilometri sotto la superficie. Hanno usato un dispositivo chiamato cella a incudini di diamante, che comprime un piccolo campione tra due diamanti fino a pressioni dell'ordine di 20 gigapascal — più di 200.000 volte la pressione atmosferica. Hanno posto un piccolo cristallo di diossido di uranio, un comune ossido di uranio, in questa mini camera a pressione e lo hanno circondato con anidride carbonica solida. Poi hanno riscaldato il campione con un laser fino a circa 1.800 kelvin, temperature simili a quelle attese in quella parte del mantello. Durante e dopo il riscaldamento hanno analizzato il campione con spettroscopia Raman, che rileva come la luce interagisce con le vibrazioni atomiche, e con potenti fasci di raggi X da sincrotrone in grado di rivelare l'ordine atomico dei nuovi cristalli formatosi.

Scoperta di nuovi minerali contenenti uranio

Gli esperimenti hanno mostrato che il diossido di uranio ha reagito con l'anidride carbonica compressa formando due nuovi carbonati di uranio completamente privi di acqua nella loro struttura. Un composto, denominato U2[CO3]3, contiene uranio in uno stato di carica relativamente basso (spesso descritto come "trivalente"), mentre l'altro, U[CO3]2, ospita uranio in uno stato di carica leggermente più alto ("tetravalente"). In entrambi i minerali, il carbonio e l'ossigeno formano gruppi piatti e triangolari che sono impilati e collegati in modi diversi, con atomi di uranio avvolti in gabbie irregolari di atomi di ossigeno. Tramite diffrazione a raggi X da sincrotrone il team ha ricostruito la disposizione tridimensionale dettagliata degli atomi per ciascun composto. Hanno poi utilizzato calcoli avanzati basati sulla meccanica quantistica per confermare la stabilità di queste strutture e per esaminare quanto siano comprimibili i nuovi minerali sotto pressione.

Cosa rivelano le strutture atomiche

I dati strutturali e i calcoli mostrano che questi nuovi carbonati di uranio si comportano in modo simile ad altri carbonati ad alta pressione che contengono metalli più comuni come calcio o stronzio. Le distanze tra uranio e ossigeno e il modo in cui i gruppi carbonato si collegano sono coerenti con legami forti e stabili anche a pressioni molto elevate. È importante che l'uranio sia presente in forme ridotte rispetto al suo abituale stato altamente carico nei minerali uranilici vicini alla superficie. Questo corrisponde alle condizioni più povere di ossigeno, ossia più riducenti, attese a maggior profondità nel mantello. Le proprietà meccaniche — il modo in cui i cristalli si comprimono — rientrano inoltre nello stesso intervallo di altri carbonati rilevanti per il mantello, suggerendo che queste fasi potrebbero sopravvivere in condizioni realistiche del profondo terrestre.

Cosa implica per l'interno della Terra

Sintetizzando e caratterizzando questi due nuovi carbonati di uranio, lo studio dimostra che semplici minerali carbonatici privi di acqua possono effettivamente ospitare uranio alle pressioni e temperature del mantello profondo, in particolare in regioni ricche di carbonio. Questo fornisce una risposta plausibile a dove potrebbe risiedere parte dell'uranio terrestre mentre le placche tettoniche trascinano sul fondo rocce superficiali. Se i carbonati uranilici formati vicino alla superficie vengono trasportati in profondità nel mantello, possono trasformarsi in carbonati di uranio ridotti come quelli scoperti qui, contribuendo a immagazzinare elementi radioattivi e il loro calore lontano dalla superficie. Lavori futuri sulla stabilità di questi minerali in equilibrio con le altre rocce del mantello chiariranno ulteriormente come l'uranio sia ripartito nell'interno della Terra e come contribuisca al motore termico a lungo termine del nostro pianeta.

Citazione: Spahr, D., Bayarjargal, L., Bykova, E. et al. High-pressure synthesis of U₂[CO₃]₃ and U[CO₃]₂ as potential host phases for uranium in the Earth’s mantle. Commun Chem 9, 112 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-01911-0

Parole chiave: carbonati di uranio, mantello terrestre, minerali ad alta pressione, ciclo profondo del carbonio, calore radiogenico