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Comment d’anciens micro-organismes ont contribué à provoquer des événements volcaniques massifs

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Comment d’anciens micro-organismes ont contribué à provoquer des événements volcaniques massifs

Formation des bandes de fer métamorphiques du sud du Wyoming montrant une fine stratification. La roche a environ 2,7 milliards d’années. Les bandes sombres sont des oxydes de fer (oxyde de fer magnétique, hématite) et les bandes rouge orangé sont striées d’oxyde de fer (jaspe). Crédit : Linda Welzenbach Fries/Rice University

De nouvelles recherches suggèrent que d’anciens micro-organismes ont contribué à provoquer des événements volcaniques massifs.

Selon des recherches récentes de l’Université Rice, les formations de fer en bandes et les roches sédimentaires avec de superbes couches de couleur orange, jaune, argentée, brune et noir bleuâtre brûlé pourraient être le catalyseur de certaines des plus grandes éruptions volcaniques de l’histoire de la Terre.

Ces roches sont constituées d’oxydes de fer qui ont coulé au fond de l’océan il y a des siècles et se sont durcies en couches denses au fil du temps. L’étude récemment publiée dans Sciences naturelles de la Terre Il est suggéré que ces couches riches en fer pourraient agir comme un pont reliant les changements de surface anciens – tels que l’émergence de la vie photosynthétique – aux processus planétaires tels que le volcanisme et la tectonique des plaques.

En plus de connecter des processus planétaires qui étaient généralement considérés comme non connectés, l’étude pourrait recadrer la compréhension des scientifiques de l’histoire ancienne de la Terre et donner un aperçu des processus qui pourraient produire des exoplanètes habitables bien au-delà de notre système solaire.

« Ces roches racontent – littéralement – l’histoire de l’évolution de l’environnement planétaire », a déclaré Duncan Keeler, auteur principal de l’étude et chercheur postdoctoral au Département des sciences de la Terre, de l’environnement et des planètes à Rice. « Ils incarnent un changement dans la chimie de l’atmosphère et des océans. »

Duncan Keeler

Duncan Keller est chercheur postdoctoral au Département des sciences de la Terre, de l’environnement et des planètes de Rice et auteur principal de l’étude publiée dans Nature Geoscience. Crédit : Jeff Vitlow/Rice University

Les formations de fer rubanées sont des dépôts chimiques déposés directement à partir d’anciennes eaux de mer riches en fer dissous. Actions métaboliques des micro-organismes, y compris Photosynthèse, on pense qu’il a facilité la précipitation des minéraux, qui se sont formés couche après couche au fil du temps avec le chert (dioxyde de silicium microcristallin). Les dépôts les plus importants se sont formés lorsque l’oxygène s’est accumulé dans l’atmosphère terrestre il y a environ 2,5 milliards d’années.

« Ces roches se sont formées dans les anciens océans, et nous savons que ces océans ont ensuite été fermés latéralement par des processus tectoniques des plaques », a expliqué Keller.

Bien que le manteau soit solide, il coule comme un liquide à peu près au taux de croissance d’un ongle. Les plaques tectoniques – des sections de la croûte et du manteau supérieur de la taille d’un continent – sont en mouvement constant, en grande partie à cause des courants de convection dans le manteau. Les processus tectoniques terrestres contrôlent les cycles de vie des océans.

« Tout comme l’océan Pacifique est fermé aujourd’hui – il s’effondre sous le Japon et sous l’Amérique du Sud – les anciens bassins océaniques sont tectoniquement détruits », a-t-il déclaré. « Ces roches sont soit poussées dans les continents et préservées – et nous en voyons certaines préservées, et c’est de là que viennent les roches que nous examinons aujourd’hui – soit subductées dans le manteau. »

Formation de bandes de fer métamorphiques

Formation de bandes métamorphiques de fer de la chaîne Hammersley en Australie occidentale. La roche a environ 2,5 milliards d’années. Les bandes sombres sont des oxydes de fer (hématite, magnétite), les bandes rougeâtres sont avec des inclusions d’oxyde de fer (jaspe) et les bandes dorées sont des amphiboles et du quartz. Échantillon recueilli par Sin Tae Lee. Crédit : Linda Welzenbach Fries/Rice University

En raison de leur teneur en fer plus élevée, les formations de fer en bandes sont beaucoup plus denses que le manteau, ce qui a amené Keeler à se demander si des morceaux en saillie des formations ont coulé jusqu’au bout et se sont installés dans la région la plus basse du manteau près du sommet du noyau terrestre. Là, sous une température et une pression énormes, ils auraient subi de profonds changements à mesure que leurs minéraux adoptaient des structures différentes.

« Il existe des travaux très intéressants sur les propriétés des oxydes de fer dans ces conditions », a déclaré Keller. « Ils peuvent devenir hautement conducteurs à la fois thermiquement et électriquement. Certains d’entre eux conduisent la chaleur aussi facilement que les minéraux. Il est donc possible que ces roches, une fois dans le manteau inférieur, puissent se transformer en amas hautement conducteurs comme des plaques chauffantes. »

Keller et ses collègues émettent l’hypothèse que les régions enrichies dans les formations de fer sous-marines peuvent aider à former des panaches du manteau, des canaux de roches chaudes s’élevant au-dessus des anomalies thermiques dans le manteau inférieur qui peuvent produire des supervolcans comme ceux qui ont formé les îles hawaïennes. « Sous Hawaï, les données sismiques nous montrent un canal chaud d’eau du manteau montant », a déclaré Keller. « Imaginez un point chaud sur votre cuisinière. Lorsque l’eau de votre casserole bout, vous verrez plus de bulles au-dessus d’une colonne d’eau qui monte dans cette zone. Les panaches du manteau en sont en quelque sorte une version géante. »

Échantillon de roche de formation de fer métamorphique en bandes

Formation de bandes métamorphiques de fer du sud du Wyoming montrant des déformations et des plissements. La roche a environ 2,7 milliards d’années. Les bandes sombres sont des oxydes de fer (magnétite, hématite) et les bandes jaune-orange sont saturées d’oxyde de fer (jaspe). Crédit : Linda Welzenbach Fries/Rice University

« Nous avons examiné les âges de dépôt des formations de fer en bandes et les âges des grands événements éruptifs basaltiques appelés grandes provinces ignées, et nous avons constaté qu’il existe une corrélation », a déclaré Keller. « Plusieurs événements ignés – si massifs que 10 ou 15 plus grands pourraient suffire à refaire surface sur la planète entière – ont été précédés par le dépôt d’une formation de fer en bandes à des intervalles d’environ 241 millions d’années, plus ou moins 15 millions. C’est une forte corrélation avec un mécanisme logique. « 

L’étude a montré qu’il existe une période de temps raisonnable pour que les formations de fer à bandes profondes pénètrent d’abord dans le manteau inférieur, puis influencent le flux de chaleur pour entraîner un panache vers la surface de la Terre à des milliers de kilomètres de haut.

Dans sa tentative de retracer le vol des formations de fer en bandes, Keeler a transgressé les frontières disciplinaires et a rencontré des visions inattendues.

« Si ce qui se passait dans les premiers océans, après que des micro-organismes aient modifié chimiquement les environnements de surface, a finalement conduit à des coulées de lave massives ailleurs sur Terre 250 millions d’années plus tard, cela signifie que ces processus sont liés et » se parlent «  », a déclaré Keller. « Cela signifie également que les processus liés pourraient avoir des échelles de longueur beaucoup plus grandes que ce à quoi les gens s’attendaient. Pour pouvoir conclure cela, nous avons dû nous appuyer sur des données provenant de nombreux domaines différents à travers la minéralogie, la géochimie, la géophysique et la sédimentologie. »

Keller espère que l’étude stimulera davantage de recherches. « J’espère que ce sera une motivation pour les gens dans les différents domaines concernés », a-t-il déclaré. « Je pense que ce serait vraiment cool si cela permettait aux gens de se parler de manière renouvelée de la façon dont les différentes parties du système terrestre sont connectées. »

Keller fait partie de Planètes pures : Cycles d’éléments volatils essentiels à la vie sur les planètes rocheuses programme, un groupe multidisciplinaire et multi-institutionnel de scientifiques dirigé par Rajdeep Dasgupta, professeur Rice W. Morris Ewing de sciences des systèmes terrestres au Département des sciences de la Terre, de l’environnement et des planètes.

« Il s’agit d’une collaboration très interdisciplinaire qui examine comment les éléments volatils importants pour la biologie – carbone, hydrogène, azote, oxygène, phosphore et soufre – se comportent dans les planètes, comment les planètes acquièrent ces éléments et quel rôle ils jouent dans la fabrication des planètes habitables », a déclaré Keller.

Il a ajouté: « Nous utilisons la Terre comme notre meilleur exemple, mais nous essayons de comprendre ce que la présence ou l’absence d’un ou de certains de ces éléments pourrait signifier pour les planètes en général. »

Référence : « Liens entre le grand volcanisme volcanique du comté et les formations d’arches ferreuses » par Duncan S. Sciences naturelles de la Terre.
DOI : 10.1038/s41561-023-01188-1

L’étude a été financée par Nasa et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.

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Des fossiles d’anciens reptiles ressemblant à des crocodiles découverts au Brésil

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Des fossiles d’anciens reptiles ressemblant à des crocodiles découverts au Brésil
Brasilia :

Un scientifique brésilien a découvert des fossiles de petits reptiles ressemblant à des crocodiles qui vivaient pendant la période du Trias, des millions d’années avant l’apparition des premiers dinosaures.

Les fossiles du prédateur, appelé Parvosuchus aureloi, comprennent un crâne complet, 11 vertèbres, un bassin et quelques os de membres, selon le paléontologue Rodrigo Muller de l’Université fédérale de Santa Maria dans l’État de Rio Grande, auteur de la recherche publiée jeudi. Journal des rapports scientifiques.

Parvosuchus, qui vivait il y a environ 237 millions d’années, marchait sur quatre pattes et mesurait environ un mètre de long et se nourrissait de reptiles plus petits. Les fossiles ont été découverts dans le sud du Brésil. Parvosuchus, qui signifie « petit crocodile », appartient à une famille éteinte de reptiles appelée Gracilissuchidae, qui jusqu’à présent n’était connue qu’en Argentine et en Chine.

« Les Gracilisuchidae sont des organismes extrêmement rares dans le monde paléontologique », a déclaré Mueller à Reuters. « Ce groupe est particulièrement intéressant car ils vivaient juste avant l’aube des dinosaures. Les premiers dinosaures vivaient il y a 230 millions d’années. »

Parvosuchus était un prédateur terrestre. Gracili suchidae représente l’une des branches les plus anciennes de la lignée connue sous le nom de Pseudosuchia qui comprenait plus tard la branche alligator.

Parvosuchus a vécu à une époque d’innovation évolutive à la suite de la pire extinction massive sur Terre il y a 252 millions d’années, avec plusieurs groupes de reptiles en compétition avant que les dinosaures ne deviennent finalement dominants. Les derniers membres des Gracilisuchidae ont incontestablement disparu environ sept millions d’années avant l’apparition des premiers dinosaures.

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(Cette histoire n’a pas été éditée par le personnel de NDTV et est générée automatiquement à partir d’un flux syndiqué.)

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Une technique spectroscopique qui identifie les molécules d’eau sur une surface révèle comment elles se relâchent après agitation

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Une technique spectroscopique qui identifie les molécules d’eau sur une surface révèle comment elles se relâchent après agitation

Cet article a été révisé selon Science Processus d’édition
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Diagramme schématique du processus de relaxation vibratoire de l’étirement de OH dans l’air/eau (H2o)Interface. crédit: Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

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Diagramme schématique du processus de relaxation vibratoire de l’étirement de OH dans l’air/eau (H2o)Interface. crédit: Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

Une image plus complète de la façon dont les molécules d’eau excitées lorsqu’elles interagissent avec l’air perdent leur énergie a été révélée par les scientifiques de RIKEN dans une étude. publié Dans le magazine Communications naturelles. Ce résultat sera précieux pour mieux comprendre les processus se produisant à la surface de l’eau.

L’eau est une anomalie à bien des égards. Par exemple, ses points de congélation et d’ébullition sont beaucoup plus élevés que prévu, et il est moins dense sous forme solide (glace) que sous forme liquide.

Presque toutes les propriétés inhabituelles de l’eau proviennent des liaisons faibles qui se forment et se brisent constamment entre les molécules d’eau voisines. Ces liaisons, appelées liaisons hydrogène, surviennent parce que l’oxygène attire davantage les électrons que l’hydrogène. Ainsi, l’oxygène légèrement négatif d’une molécule est attiré vers les atomes d’hydrogène légèrement positifs des autres molécules.

Mais un petit segment de molécules d’eau – celles à la surface – subit les liaisons hydrogène différemment des autres molécules d’eau. Dans leur cas, le bras qui dépasse dans l’air ne forme pas de liaisons hydrogène.

Jusqu’à présent, personne n’était capable de comprendre comment les bras de ces molécules de surface se détendaient après avoir été étirés. En effet, il est très difficile d’isoler le signal de ces molécules.

« Nous avons une bonne connaissance du comportement des molécules d’eau dans un corps liquide, mais notre compréhension des molécules d’eau à l’interface est loin derrière », explique Tahi Tahara du laboratoire de spectroscopie moléculaire RIKEN.

Au cours de la dernière décennie, une équipe dirigée par Tahara a tenté de remédier à cette situation en développant des techniques spectroscopiques très sophistiquées pour explorer les interactions des molécules d’eau sur les surfaces.

L’équipe a maintenant développé une technique basée sur la spectroscopie infrarouge, suffisamment sensible pour détecter la façon dont les liaisons oxygène et hydrogène dans les molécules d’eau de surface se relâchent.

Grâce à cette technique, l’équipe a découvert que les liaisons oxygène et hydrogène coincées dans l’air tournent en premier sans perdre d’énergie. Ils se détendent ensuite d’une manière similaire aux molécules d’un corps liquide qui forment un réseau de liaisons hydrogène.

« En ce sens, il n’y a pas beaucoup de différence entre les molécules à l’interface et à l’intérieur du liquide après avoir interagi avec leurs voisines, car elles partagent toutes deux le même processus de relaxation », explique Tahara. « Ces résultats dressent un tableau complet de la façon dont les liaisons oxygène et hydrogène se détendent à la surface de l’eau. »

Tahara et son équipe ont désormais l’intention d’utiliser leur technique spectroscopique pour observer les réactions chimiques qui se produisent à l’interface de l’eau.

Plus d’information:
Woongmo Sung et al., Profil de relaxation vibratoire unifié de l’étirement de l’OH à l’interface air/eau, Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

Informations sur les magazines :
L’intelligence artificielle de la nature


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Supraconductivité à haute température : exploration du couplage électron-phonon en quadrature

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Supraconductivité à haute température : exploration du couplage électron-phonon en quadrature

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Une image conceptuelle de la formation des pôles quantiques. Les boules bleues représentent les ions chargés positivement dans le réseau matériel et les deux points rouges représentent les paires de Cooper. Crédit : Pavel A. Volkov.

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Une image conceptuelle de la formation des pôles quantiques. Les boules bleues représentent les ions chargés positivement dans le réseau matériel et les deux points rouges représentent les paires de Cooper. Crédit : Pavel A. Volkov.

Nouvelle étude publié dans Lettres d’examen physique (PRL) explore le potentiel du couplage électron-phonon en quadrature pour améliorer la supraconductivité grâce à la formation de dipôles quantiques.

Le couplage électron-phonon est l’interaction entre les électrons et les vibrations dans un réseau appelé phonons. Cette interaction est cruciale pour la supraconductivité (conductivité électrique sans résistance) de certains matériaux car elle facilite la formation de paires de Cooper.

Les paires de Cooper sont des paires d’électrons liés entre eux via des interactions attractives. Lorsque ces paires de Cooper se condensent dans un état cohérent, nous obtenons des propriétés supraconductrices.

Le couplage électron-phonon peut être classé en fonction de sa dépendance au déplacement du phonon, c’est-à-dire la quantité de vibration du réseau. Le cas le plus courant est celui où la densité électronique est couplée linéairement aux déplacements du réseau, provoquant une distorsion du réseau pour entourer chaque électron.

Les chercheurs voulaient étudier si la supraconductivité des matériaux présentant un couplage quadratique pouvait être améliorée lorsque l’énergie d’interaction est proportionnelle au carré du décalage des phonons.

Phys.org s’est entretenu avec les co-auteurs de l’étude, Zhaoyu Han, Ph.D. Candidat à l’Université de Stanford et Dr Pavel Volkov, professeur adjoint au Département de physique de l’Université du Connecticut.

Parlant de sa motivation derrière la poursuite de ces recherches, Hahn a déclaré : « L’un de mes rêves a été d’identifier et de proposer de nouveaux mécanismes qui pourraient aider à atteindre la supraconductivité à haute température. »

« La supraconductivité du titanate de strontium dopé a été découverte il y a plus de 50 ans, mais son mécanisme reste une question ouverte, les mécanismes classiques étant improbables. C’est pourquoi j’ai commencé à rechercher des mécanismes alternatifs de couplage électron-phonon », a déclaré le Dr Volkov.

Le couplage linéaire et ses défis pour la supraconductivité

Comme mentionné précédemment, le couplage peut être classé comme linéaire ou quadratique.

Le couplage linéaire fait référence au scénario dans lequel le couplage est proportionnel au déplacement des phonons. En revanche, le couplage quadratique dépend du carré du décalage des phonons.

Ils peuvent être identifiés grâce à l’étude de la symétrie de la matière, aux observations expérimentales et aux cadres théoriques. Cependant, leurs effets sur la supraconductivité semblent très différents.

Le couplage linéaire, qui apparaît dans la plupart des matériaux supraconducteurs, est largement étudié en raison de sa prévalence dans de nombreux matériaux et de son cadre théorique.

Cependant, les supraconducteurs conventionnels dotés d’un couplage électron-phonon linéaire sont confrontés à des limites. Ces matériaux ont une faible température critique, qui est la température en dessous de laquelle un matériau peut présenter une supraconductivité.

« Les températures critiques de ces supraconducteurs sont généralement inférieures à 30 Kelvin ou -243,15 degrés Celsius. Cela est dû en partie au fait que l’énergie de liaison et l’énergie cinétique de la paire Cooper sont considérablement supprimées dans les régimes de couplage faible et fort, respectivement », a expliqué Hahn.

Dans le cas d’un couplage faible, les interactions électron-phonon sont faibles en raison de la faible énergie de liaison. En couplage fort, les interactions sont plus fortes, conduisant à une augmentation de la masse effective des paires de Cooper, ce qui conduit à la suppression de la supraconductivité.

Cependant, la suppression entrave tout effort visant à améliorer les températures critiques dans de tels matériaux en augmentant simplement la force de couplage, encourageant les chercheurs à explorer des matériaux dotés d’un couplage électron-phonon quadratique, qui n’est pas bien compris.

Modèle Holstein et pôles quantiques

Le modèle Holstein est un cadre théorique utilisé pour décrire l’interaction entre les électrons et les phonons. Il a déjà été utilisé pour étudier la physique générale du couplage linéaire électron-phonon.

Les chercheurs ont étendu le modèle Holstein pour inclure le couplage électron-phonon en quadrature dans leur étude.

Le modèle Holstein aide à calculer des quantités telles que l’énergie de liaison des paires de Cooper et la température critique des supraconducteurs.

Dans les matériaux conventionnels, la liaison des électrons médiée par les phonons conduit à la formation de paires de Cooper.

L’interaction est linéaire, ce qui signifie que la force de couplage augmente avec l’amplitude des vibrations du réseau. Cette interaction peut être comprise à l’aide des principes de la physique classique et est bien étayée par des observations expérimentales telles que les effets isotopiques.

Dans le cas d’une conjonction quadratique, la situation est complètement différente. En étendant le modèle Holstein pour inclure la dépendance du second ordre du couplage au déplacement des phonons, les chercheurs ont pris en compte les fluctuations quantiques (mouvement aléatoire) des phonons et leur énergie du point zéro (l’énergie des phonons à 0 K ).

Les électrons interagissent avec les fluctuations quantiques des phonons, formant un « dipôle quantique ». Contrairement au couplage linéaire, l’origine des interactions attractives est la mécanique quantique pure.

La supraconductivité est dans la limite du couplage faible et fort

Les chercheurs ont découvert que lorsque l’interaction électron-phonon est faible, le mécanisme par lequel les électrons s’apparient pour former des paires de Cooper n’est pas efficace, comme dans le cas linéaire. Il en résulte une température critique plus basse qui peut être affectée par la masse des ions (effet isotopique), mais d’une manière différente que dans le cas linéaire.

En d’autres termes, la (basse) température critique d’une substance peut changer considérablement selon les différentes masses atomiques.

En revanche, lorsque les interactions électron-phonon sont fortes, nous obtenons la formation de dipôles quantiques, qui peuvent devenir supraconducteurs à une température déterminée par leur masse effective et leur densité.

En dessous de la température critique, les condensateurs bipolaires quantiques peuvent se déplacer librement sans perturber le cristal. Plus de mouvement conduit à un état supraconducteur, plus stable et ayant une température critique plus élevée. Contrairement au mécanisme linéaire, la masse dipolaire quantique n’est que légèrement améliorée par le couplage, ce qui permet des températures critiques plus élevées.

« Notre travail montre que ce mécanisme permet des températures de transition plus élevées, au moins pour un couplage fort. Ce qui est également positif, c’est que ce mécanisme ne nécessite aucune condition préalable particulière pour être efficace, et il existe des conditions tout à fait réalistes dans lesquelles il sera dominant », a-t-il déclaré. expliqué. Dr Volkov.

« Sur la base des constantes physiques fondamentales liées aux solides, une estimation optimiste de la température critique pouvant être atteinte par ce mécanisme pourrait être de l’ordre de 100 K », a prédit Hahn.

Travail futur

« Une implication possible, tout d’abord, serait une augmentation de la température de transition de la supraconductivité. La supraconductivité dépend également de manière sensible des propriétés des électrons ; par conséquent, pour obtenir un couplage fort, nous proposons l’utilisation de super-réseaux spécialement conçus pour les électrons. » Le Dr Volkov a expliqué.

Les chercheurs affirment que la prochaine étape, en théorie, consisterait à trouver le régime optimal de force de couplage pour la supraconductivité. Les chercheurs espèrent également que les expérimentateurs exploreront les matériaux de super-réseau présentant de grands couplages électron-phonon quadratiques.

« Expérimentalement, la création de super-réseaux via la structuration ou l’utilisation d’interfaces entre des matériaux torsadés pourrait être une voie prometteuse pour atteindre le type de supraconductivité auquel nous nous attendons », a déclaré le Dr Volkov.

Hahn a également noté qu ‘ »il est important d’identifier les matériaux présentant de grands couplages électron-phonon quadratiques grâce à des calculs préliminaires, car cela n’a pas été systématiquement exploré ».

Plus d’information:
Zhaoyu Han et al., Supraconductivité dipolaire quantique à partir du couplage électron-phonon en quadrature, Lettres d’examen physique (2024). est ce que je: 10.1103/PhysRevLett.132.226001. sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2312.03844

Informations sur les magazines :
Lettres d’examen physique


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