Il Ferro nello spazio

Diego Tesauro

Il ferro, l’elemento numero 26 della tavola periodica, è oggetto di studio per tutte le discipline dello scibile sia umanistiche che scientifiche.

Gioca infatti un ruolo centrale nella storia dell’evoluzione della società umana tanto da caratterizzare un’età millenaria (https://ilblogdellasci.wordpress.com/brevissime/il-ferro-ha-5000-anni/) della preistoria; è perno dell’economia, essendo la metallurgia, ancora oggi nell’era dei nuovi materiali, un importante settore strategico per l’industria manifatturiera.

La sua presenza ed i composti che forma con gli altri elementi della tavola periodica a maggior ragione coinvolgono tutte le discipline scientifiche dalla geologia, alla biologia, all’astronomia.

Questa centralità è sicuramente dovuta, oltre alle sue peculiari proprietà chimico-fisiche, all’abbondanza sulla Terra, costituisce infatti il 16% della massa del nostro pianeta (la maggior parte concentrata nel nucleo), e il 5% della crosta terrestre. Ma la presenza di questo elemento così elevata sulla Terra trova riscontro anche in una notevole abbondanza nello spazio essendo il settimo fra tutti gli elementi della tavola periodica. Come si spiega questa elevata quantità in un universo dove invece, abbondano i nuclei leggeri come l’idrogeno e l’elio?

Innanzitutto occorre ricordare che nei processi di fusione nucleare nei nuclei delle stelle con emissione di energia i nuclei degli atomi più leggeri fondono per generare elementi più pesanti. Le stelle di massa come il Sole o poco maggiore terminano la loro evoluzione generando elementi come il carbonio e l’ossigeno, mentre le stelle di grande massa (dalle 8 masse solari in su) terminano i loro processi di nucleosintesi proprio con il ferro, in particolare con l’isotopo 56. I processi di nucleosintesi, quindi, hanno come elemento terminale il ferro. Il ferro viene successivamente disperso nello spazio dalle esplosioni di supernova con le quali implodono le stelle quando hanno termine i processi di produzione di energia per fusione nucleare, rendendone ubiquitaria la sua presenza.

Nelle stelle, compreso il Sole, viene ritrovato dall’ ”impronta” lasciata nelle righe di assorbimento degli spettri elettromagnetici delle fotosfere. Nel sistema solare è abbondante negli asteroidi chiamati sideriti, oltre che nei pianeti rocciosi come appunto la Terra, Marte e Venere, dove la presenza è stata confermata con la spettroscopia Mössbauer. Più complessa è la possibilità di rilevare il ferro nello spazio interstellare (ISM). Rispetto a quanto previsto dai modelli, la quantità di ferro gassoso è particolarmente bassa. Evidentemente il ferro non si trova allo stato gassoso, ma in clusters o in composti di tipo molecolare. Clusters metallici di Fe di tutte le dimensioni <1 nm e nanoparticelle di dimensioni> 1 nm sono presenti nella polvere interstellare, ma sono stati rilevati in misura inferiore rispetto alle quantità di ferro previste dai modelli. I clusters svolgono una funzione importantissima nello spazio interstellare. Essi infatti tendono a legare atomi e strutture molecolari ricche di elettroni. Questa proprietà potrebbe giocare un ruolo importante nella sintesi di molecole organiche complesse a cominciare dagli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) di cui ci siamo occupati In precedente intervento (https://ilblogdellasci.wordpress.com/2018/01/22/gli-idrocarburi-policiclici-aromatici-ipa-nello-spazio-qual-e-la-loro-origine/ ). In laboratorio, i clusters di Ferro sono noti per catalizzare la formazione di idrocarburi aromatici da acetilene (C2H2) a basse pressioni [1], suggerendo che potrebbero fare lo stesso nell’ISM reagendo con l’acetilene e formando catene di carbonio più lunghe. Le catene lunghe di carbonio, in particolare i poliini, (CnH2) per n >10 sono termodinamicamente instabili, e quelli contenenti più di nove carbonio non sono stati osservati nelle regioni di gas circumstellare o interstellare. Come possono allora stabilizzarsi per dar luogo a molecole organiche complesse?

Recentemente le ipotesi avanzate per una loro maggiore stabilità assegnano ai clusters di ferro questa capacità formando dei pseudocarbini Ferro la cui struttura è riportato nella figura [2].

Potrebbero quindi costituire quel anello mancante che possa giustificare il passaggio da catene di atomi di carbonio a molecole organiche complesse che sono state ritrovate nel mezzo interstellare come gli IPA ed il fullerene. Le ipotesi andrebbero suffragate da osservazioni. Un modello teorico, messo punto ultimamente, ha permesso di dimostrare che spettri infrarossi di molecole di poliini legate ai cluster di ferro non risultano modificati sensibilmente, ma cambiati solo nell’intesità. Pertanto il ferro potrebbe nascondersi nei gas circumstellari delle stelle AGB (https://it.wikipedia.org/wiki/Ramo_asintotico_delle_giganti); infatti un singolo atomo di ferro aggiunto a catene contenenti nove atomi di carbonio esaurirebbe l’abbondanza di Ferro in fase gas del 95%.. L’esaurimento del ferro sarebbe maggiore qualora le catene di carbonio fossero più corte o contenessero altri atomi di ferro. Pertanto il ferro sarebbe presente in modo elusivo e giocherebbe un ruolo fondamentale anche nello spazio interstellare per la chimica organica. In questo modo si affiancherebbe a quello già ipotizzato nella chimica pre-biotica, ad esempio nella formazione di molecole organiche come l’acetato e il piruvato a partire dal biossido di carbonio [3] o nel folding e nella catalisi della molecola di RNA nelle fasi primordiali della vita sulla Terra [4].

La Catena di carbonio e idrogeno collegata ad un cluster di Fe13 (gli atomi di ferro sono rappresentati in colore bruno-rossastro, il carbonio in grigio, l’idrogeno in grigio chiaro).

[1] P., Schnabel K. G, Weil, M.P. Irion. Proof of the Catalytic Activity of a Naked Metal Cluster in the Gas Phase Angewandte Chemie International Edition in English 1992, 31, 636-638. https://doi.org/10.1002/anie.199206361

[2] P. Tarakeshwar , P. R. Buseck, F. X. Timmes. On the Structure, Magnetic Properties, and Infrared Spectra of Iron Pseudocarbynes in the Interstellar Medium The Astrophysical Journal 2019, 879(2) (8pp) https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab22b7

[3] S.J. Varma, K.B. Muchowska, P. Chatelain, J. Moran Native iron reduces CO2 to intermediates and end-products of the acetyl CoA pathway. Nature Ecology & Evolution 2018, 2, 1019–1024. https://doi.org/10.1038/s41559-018-0542-2

[4] S.S. Athavale, A.S. Petrov, C. Hsiao, D. Watkins, C.D. Prickett, J.J. Gossett, L. Lie, J.C. Bowman, E. O’Neill, C.R. Bernier, N.V. Hud, R.M. Wartell, S.C. Harvey, L.D. Williams. RNA Folding and Catalysis Mediated by Iron (II) PLOS 2012, 7(5) , e38024.https://doi.org/10.1371/journal.pone.0038024

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