Non è facile orientarsi, da profani, nella conoscenza dei fenomeni che investono la nostra terra, ne plasmano la realtà fisica e a volte modificano anche radicalmente e tragicamente le nostre vite. Eppure l’anelito di capire e comprendere è innato nell’umanità e ne ha segnato e segna il cammino. Ecco perché nel titolo abbiamo messo in rapporto materiali minuscoli e colate di lava grandiose e sottolineando che anche tra questi estremi vi sono interazioni che la ricerca e la sperimentazione scientifica riescono a indicare e a spiegare.

È il caso di una ricerca internazionale coordinata dall'Istituto di scienza, tecnologia e sostenibilità per lo sviluppo dei materiali ceramici (Issmc) del Consiglio Nazionale delle Ricerche ha svelato come la formazione rapidissima di nanocristalli che si verifica nel magma incandescente ne aumenti drasticamente la viscosità, alimentando eruzioni vulcaniche molto esplosive, e offrendo una nuova chiave di lettura per la dinamica di tali eruzioni. Lo studio, pubblicato su Communications Earth & Environment, indicano gli autori apre nuove prospettive non solo per la vulcanologia, ma anche per il design di materiali avanzati come le vetroceramiche industriali.

È evidente che stiamo parlando di eruzioni vulcaniche esplosive, fenomeni estremi e devastanti capaci di scagliare ceneri e gas a chilometri di altezza, rappresentando un rischio geologico significativo.

Il procedere della ricerca ha stabilito che la viscosità del magma gioca un ruolo cruciale: un magma più viscoso intrappola più facilmente i gas, aumentando la pressione interna fino a scatenare un'esplosione. Un team internazionale di ricerca, guidato da Pedro Valdivia Muñoz del Bayerisches Geoinstitut (Germania) e coordinato da Danilo Di Genova dell'Istituto di scienza, tecnologia e sostenibilità per lo sviluppo dei materiali ceramici del Consiglio nazionale delle ricerche di Roma (Cnr-Issmc) e con un importante contributo da parte di altri colleghi del Bayerisches Geoinstitut (Germania) e dell'Università Roma Tre, ha scoperto un meccanismo su scala nanometrica che può rendere il magma fino a 30 volte più viscoso, e quindi esplosivo, quasi istantaneamente.

Lo studio ha utilizzato tecniche di imaging avanzate per osservare, per la prima volta in tempo reale, la formazione di "nanoliti" – cristalli di ossido di ferro e titanio più piccoli di un millesimo del diametro di un capello – in un magma andesitico, un tipo di magma con una viscosità tipicamente intermedia, comune in molti vulcani dal comportamento esplosivo. Questa capacità di indagine, che ha visto il team pioniere nel filmare la formazione di nanocristalli in sistemi vetrosi, apre nuove prospettive non solo per la vulcanologia ma anche per il design di materiali avanzati come le vetroceramiche industriali, dove il controllo della nanocristallizzazione è fondamentale.

"Abbiamo visto che questi nanoliti si formano in pochi secondi una volta che il magma raggiunge determinate condizioni," afferma Pedro Valdivia Muñoz, primo autore dello studio e dottorando supervisionato da Danilo Di Genova. "Ma la vera sorpresa è l'effetto a catena che innescano. Invece di essere semplici particelle solide disperse, i nanoliti alterano chimicamente il magma circostante. Si creano zone arricchite in silice attorno ai cristalli, avvolti contemporaneamente da gusci ricchi di alluminio. Questa eterogeneità chimica su scala nanoscopica è la vera responsabile dell'impressionante aumento della viscosità”.

Il meccanismo peraltro si è mostrato più complesso di quanto si pensasse: "Non si tratta solo del progressivo impoverimento di ferro nel magma liquido o dell'ingombro fisico creato dai cristalli”, prosegue il ricercatore.

È la riorganizzazione chimica su nanoscala che modifica radicalmente il comportamento del magma, aumentandone notevolmente la viscosità e facendolo quindi scorrere con molta più difficoltà.

Queste scoperte hanno implicazioni dirette per la comprensione delle eruzioni andesitiche, tipiche di vulcani come il Sakurajima in Giappone, la cui composizione magmatica è stata usata come riferimento per alcuni esperimenti.

La rapida formazione di nanoliti e il conseguente aumento di viscosità durante la risalita del magma potrebbero essere fattori chiave che portano a una frammentazione esplosiva. Inoltre, queste zone eterogenee potrebbero influenzare la propagazione delle fratture nel magma e persino facilitare la formazione di bolle di gas, amplificando ulteriormente il potenziale esplosivo - sottolinea Di Genova.

La ricerca, che combina esperimenti in situ ad alta temperatura con analisi nanoscopiche sofisticate e modellazione della viscosità, apre nuove strade per valutare la pericolosità vulcanica, suggerendo che anche le più piccole variazioni chimiche e strutturali nel cuore del magma possono avere conseguenze macroscopiche e devastanti. Il piccolo, il minuscolo quasi invisibile, interagisce e condiziona il comportamento del grande, a volte immenso fenomeno lavico.

La particolarità di quanto emerso permette in prospettiva una maggiore e approfondita conoscenza delle differenze tra gli edifici vulcanici e del perché le eruzioni siano spesso profondamente diverse come queste esplosive tipiche degli stratovulcani, (ovvero vulcani a forma di cono con pendii ripidi, formato dalla sovrapposizione di strati alternati di lava viscosa, ceneri e materiale piroclastico; caratterizzati da eruzioni esplosive, e comuni lungo le zone di subduzione, come il Vesuvio, l'Etna, lo Stromboli in Italia e il Monte Saint Helens, in Nord America) da quelle dei vulcani a scudo con magma più fluido e poco viscoso, che permette ai gas di liberarsi più facilmente, risultando in eruzioni effusive (lava che scorre) e meno esplosive, come quelli hawaiani.

Le scoperte sul ruolo dei nanocristalli permettono di comprendere meglio i meccanismi che rendono un'eruzione più o meno esplosiva. Queste conoscenze sono cruciali per valutare il rischio vulcanico e sviluppare sistemi di allerta più precisi, proteggendo le popolazioni vicine. Il dato centrale è che piccole variazioni nella struttura chimica e cristallina del magma, invisibili ad occhio nudo, possono portare a conseguenze vulcaniche devastanti. Fenomeni che restano comunque al di fuori delle capacità umane in termini di previsione (anche se gli studi in proposito non si fermano) e di contenimento delle conseguenze: possiamo spesso solo essere spettatori fare tutto ciò che occorre per salvare quante più vite sia possibile!