Lo studio coordinato dall’Istituto di Scienza, Tecnologia e Sostenibilità per lo Sviluppo dei Materiali Ceramici del Cnr ha rivelato come la formazione velocissima di nanocristalli nel magma ne cambi radicalmente la viscosità. Questa scoperta apre nuove vie per capire meglio le eruzioni vulcaniche più violente e suggerisce strategie per materiali avanzati. La ricerca, pubblicata su Communications Earth & Environment, unisce prove sperimentali e analisi nanoscale per mostrare come minuscoli cristalli influenzino la dinamica del magma.
Il ruolo della viscosità nelle eruzioni vulcaniche esplosive
Le eruzioni vulcaniche multiformi si distinguono fra quelle effusive e quelle esplosive. In particolare, le eruzioni capaci di lanciare ceneri, gas e frammenti a chilometri di distanza rappresentano un serio pericolo. Qui la viscosità del magma gioca un ruolo centrale. Un magma più viscoso fa fatica a liberare i gas disciolti al suo interno. Questi gas, trattenuti, aumentano la pressione fino a far scoppiare la massa magmatica. Lo studio ha però mostrato un elemento nuovo: non è solo la composizione o la temperatura a determinare la viscosità, ma anche la formazione di nanocristalli che si crea rapidamente mentre il magma risale verso la superficie.
La funzione dei nanocristalli nella modifica del magma
Questi cristalli sottilissimi, che misurano meno di un millesimo del diametro di un capello umano, alterano la chimica e la struttura del magma stesso, rendendolo molto più viscoso in tempi brevissimi. È un cambiamento quasi immediato che può fare la differenza fra un’eruzione tranquilla e una esplosiva.
La scoperta della formazione dei nanoliti nel magma andesitico
Il team internazionale guidato da Pedro Valdivia Muñoz del Bayerisches Geoinstitut in Germania, con coordinamento in Italia di Danilo Di Genova del Cnr-Issmc, ha usato tecniche avanzate di imaging per filmare in tempo reale la nascita di questi nanoliti, cristalli di ossido di ferro e titanio, direttamente nel magma andesitico. Questo tipo di magma ha viscosità di base intermedia ed è comune in molti vulcani esplosivi nel mondo.
Il processo di formazione dei nanoliti è rapidissimo e avviene in pochi secondi. Non si tratta di semplici cristalli solidi immersi nel magma liquido: invece, promuovono una differenziazione chimica locale. Attorno ai nanoliti si formano strati ricchi di silice, mentre intorno a questi cluster si sviluppano gusci ricchi di alluminio. Questa combinazione chimica modifica drasticamente la struttura del magma e fazza aumentare la sua viscosità.
Un nuovo modo di vedere il magma
Il fatto che i nanoliti non agiscano solo da corpi solidi ma alterino anche chimicamente la massa circostante è uno degli aspetti più innovativi di questa ricerca. Significa che il magma non reagisce più solo come liquido-polvere, ma diventa una matrice composita con zone a composizione diversa su scala nanometrica.
Implicazioni per la vulcanologia e il rischio delle eruzioni esplosive
L’aumento di viscosità, causato dalla formazione rapida di nanoliti, potrebbe spiegare il comportamento esplosivo di vulcani andesitici come il Sakurajima in Giappone. Secondo i ricercatori, la crescita di queste nano-zone eterogenee ha un duplice effetto: da un lato rende il magma più difficile da scorrere, dall’altro facilita la rottura o la frammentazione del magma durante la risalita.
Queste strutture chimiche a scala nanometrica appaiono anche in grado di influenzare la propagazione di fratture e la formazione di bolle di gas all’interno del magma, accentuando il potenziale esplosivo dell’eruzione. Si osserva così un meccanismo che lega fenomeni microscopici a eventi macroscopici con conseguenze enormi per la sicurezza delle popolazioni che vivono vicino ai vulcani.
Nuovi parametri per valutare il rischio vulcanico
Grazie a esperimenti ad alta temperatura e all’uso di modelli nanoscopici per stimare la viscosità, la ricerca offre parametri nuovi per valutare la pericolosità vulcanica, andando oltre le misurazioni tradizionali basate sul comportamento visibile del magma. Anche piccole variazioni nella composizione chimica e nella struttura interna possono tradursi in effetti grandi e improvvisi.
Prospettive per i materiali avanzati e il controllo della nanocristallizzazione
Oltre all’importanza per la vulcanologia, questa ricerca interessa il campo dei materiali ceramici. La capacità di formare nanocristalli in modo rapidissimo è un fenomeno rilevante anche nella progettazione di vetroceramiche industriali.
In questi materiali, la nanocristallizzazione deve essere spesso controllata accuratamente per ottenere caratteristiche specifiche come la resistenza o la trasparenza. Comprendere come si forma e si distribuisce a livello nanometrico una cristallizzazione velocissima consente di migliorare la produzione e le prestazioni di molti prodotti ceramici.
Connessioni fra scienze geologiche e materiali sintentici
La conoscenza sviluppata dallo studio del magma porta quindi vantaggi che si estendono dal territorio geologico agli impianti industriali. La chimica e la fisica del magma fungono da laboratorio naturale per osservare processi di nanostrutturazione, con ricadute importanti su più fronti.
Le nuove tecniche di imaging e analisi adottate dal team, uniche al mondo per la rapidità e la precisione con cui catturano la formazione di cristalli troppo piccoli per essere osservati prima, aprono strade per futuri approfondimenti sia sulle eruzioni sia sui materiali sintetici.
