Un nuovo composto con formula chimica C0.6Si0.4O2 è stato sintetizzato in condizioni estreme di pressione (~20 GPa) e temperatura (~5000 K), facendo reagire due sostanze precedentemente ritenute incompatibili: l’anidride carbonica, un gas, e la silice, un solido. Questa scoperta, basata su misure di spettroscopia ottica e diffrazione di raggi X, aggiorna la corrente visione della tabella periodica e potrebbe essere di grande rilievo per le scienze della terra e dei pianeti.A novel compound with formula C0.6Si0.4O2 has been synthesized at extreme pressure (~20 GPa) and temperature (~5000 K) conditions through the reaction of two materials previously thought to be incompatible: carbon dioxide, a gas, and silica, a solid. These findings, based on optical spectroscopy and X-ray diffraction measurements, update our view of the periodic table and could be of paramount significance for Earth and planetary sciences

Bini, Roberto

Gorelli, Federico A.

Santoro, Mario

Firenze University Press: E-Journals

Il Colle di 
Galileo
© 2014 Firenze University Press Vol. 3, 2, 2014, pp. 37-40
ISSN 2281-7727 (print) DOI: 10.13128/Colle_Galileo-15102
ISSN 2281-9711 (online) www.fupress.com/cdg
IN EVIDENZA/HIGHLIGHTS
Mario Santoro1,2, Federico A. Gorelli1,2, Roberto Bini2,3
Le alte pressioni uniscono 
l’anidride carbonica e la silice 
High pressures join carbon dioxide and silica
1Istituto Nazionale di Ottica, INO-CNR, Sesto Fiorentino
2Laboratorio Europeo di Spettroscopie non Lineari, LENS, Sesto Fiorentino
3Dipartimento di Chimica dell’Università di Firenze
Sommario. Un nuovo composto con formula chimica C0.6Si0.4O2 è stato sintetizzato in condi-
zioni estreme di pressione (~20 GPa) e temperatura (~5000 K), facendo reagire due sostanze 
precedentemente ritenute incompatibili: l’anidride carbonica, un gas, e la silice, un solido. 
Questa scoperta, basata su misure di spettroscopia ottica e diffrazione di raggi X, aggiorna 
la corrente visione della tabella periodica e potrebbe essere di grande rilievo per le scienze 
della terra e dei pianeti.
Parole chiave. Fisica delle alte pressioni, diffrazione di raggi X da luce di sincrotrone, spet-
troscopia Raman, CO2, SiO2
Uno dei risultati di maggior rilievo della fisica e della chimica delle condizioni 
estreme è la sintesi di nuovi materiali, che possono significativamente aggiorna-
re la nostra visione della tabella periodica e mostrare anche un interesse pratico. 
Nel caso degli elementi del quarto gruppo il carbonio è sempre stato considerato 
diverso nella formazione di ossidi, rispetto ai suoi omologhi più pesanti come il 
silicio ed il germanio. Quest’ultimi danno infatti luogo ad ossidi estesi mentre il 
carbonio dà luogo, in condizioni di pressione ambiente, solo ad ossidi molecola-
Abstract. A novel compound with formula C0.6Si0.4O2 has been synthesized at extreme pres-
sure (~20 GPa) and temperature (~5000 K) conditions through the reaction of two materials 
previously thought to be incompatible: carbon dioxide, a gas, and silica, a solid. These find-
ings, based on optical spectroscopy and X-ray diffraction measurements, update our view of 
the periodic table and could be of paramount significance for Earth and planetary sciences.
 
Keywords. High pressure physics, synchrotron X-ray diffraction, Raman spectroscopy, CO2, SiO2
One of the most remarkable outcomes of physics and chemistry at extreme conditions is the syn-
thesis of novel materials, which can significantly update our view of the periodic table and also 
be of potential practical interest. In the case of group IV elements, carbon was always consid-
ered to be distinct in forming oxides compared to its heavier homologues such as silicon and 
germanium. In fact, while the latter form extended oxides, carbon gives rise at ambient pres-
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Mario Santoro et al.
Mario Santoro et al.
ri. Questa differenza scompare ad alta pressione ed alta temperatura. Un gruppo 
di ricercatori dell’Istituto Nazionale di Ottica del CNR e del Laboratorio Euro-
peo di spettroscopie non Lineari di Sesto Fiorentino, del CNRS di Montpellier, 
e del sincrotrone ESRF di Grenoble, riportano la sintesi di una soluzione solida 
cristallina: CO2-SiO2, ottenuta facendo reagire anidride carbonica (CO2) e silice 
(SiO2) in una cella ad incudini di diamante riscaldata per mezzo di un laser in-
frarosso, a pressioni di 16-22 GPa e temperature di 4000-5000 K. In queste con-
dizioni il carbonio si “scioglie” nella struttura della silice. Negli ultimi quindici 
anni è stato dimostrato che l’anidride carbonica forma, in condizioni estreme, 
solidi simili alla silice, che risultano stabili soltanto ad alte pressioni. Adesso, in 
questo studio, si mostra che l’anidride carbonica forma anche un composto con 
la silice, strutturalmente simile alla silice stessa. Ed il nuovo composto viene re-
cuperato in condizioni ambiente. Questa scoperta sopraggiunge dopo alcuni an-
ni di intensi sforzi sinergici, sia sul fronte della tecnologia delle alte pressioni che 
su quello della diffrazione di raggi X da luce sincrotrone. Infatti l’esperimento 
rappresenta una vera e propria sfida tecnologica a causa delle condizioni estre-
me: la reazione avviene fra la silice fusa e l’anidride carbonica in condizione di 
fluido sovracritico, denso e caldo. Le misure di diffrazione di raggi X da luce di 
sincrotrone con elevata risoluzione spaziale (spot focale di 2 μm), eseguite ad 
ESRF, mostrano che il nuovo cristallo adotta una struttura di tipo α-cristobalite 
densamente “impacchettata”, nella quale sia il carbonio che il silicio sono legati a 
quattro atomi di ossigeno secondo una coordinazione di tipo tetraedrico (figura 
1). Alle pressioni di sintesi di questo cristallo la silice pura adotta, viceversa, una 
sure to molecular oxides only. Extreme pressure and temperature conditions now fill the gap. 
A team of researchers from the National Institute of Optics-CNR, the European Laboratory for 
non Linear Spectroscopy at Sesto Fiorentino, the CNRS at Montpellier and the ESRF at Greno-
ble reports the synthesis of a crystalline CO2-SiO2 solid solution obtained by reacting CO2 and 
SiO2 in a laser-heated diamond anvil cell at pressures between 16 GPa and 22 GPa, and tem-
peratures of 4000-5000 K, demonstrating that in such conditions the carbon “dissolves” into 
the structure of the silica. Over the last fifteen years this same group and others have demon-
strated that CO2 forms silica-like solids at extreme conditions that are stable only under high 
pressure. The team has now demonstrated that CO2 also forms a silica-like compound with SiO2 
itself. Remarkably, this material is recovered at ambient conditions. This discovery is the result 
of several years of intense synergetic efforts, both on the high-pressure technology front and 
that of synchrotron radiation technology. The experiment is in fact an authentic technological 
challenge due to the extreme conditions: the reaction occurs between molten silica and hot, 
dense supercritical fluid CO2. Synchrotron X-ray diffraction with high spatial resolution (2 μm 
focal spot) at ESRF shows that the new crystal adopts a densely packed α-cristobalite structure, 
with both carbon and silicon tetrahedrally bonded to four oxygen atoms (figure). At pressures 
where this crystal is synthesized, pure SiO2 instead normally adopts a structure in which silicon 
is octahedrally coordinated to six oxygen atoms. An average chemical formula of C0.6Si0.4O2 
for the new solid is consistent with X-ray diffraction and Raman spectroscopy. These findings 
profoundly modify our view on oxide chemistry, which is of great interest for materials science, 
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High pressures join carbon dioxide and silica
Le alte pressioni uniscono l’anidride carbonica e la silice
struttura nella quale il silicio esibisce una coordinazione ottaedrica a sei atomi 
di ossigeno. La formula stechiometrica media del nuovo materiale, C0.6Si0.4O2, è 
stata ricavata in maniera indipendente sia dalla diffrazione X che dalla spettro-
scopia Raman. Questi risultati modificano profondamente la nostra visione sulla 
chimica degli ossidi, generando con ciò ampio interesse nel campo delle scien-
za dei materiali e della scienza della terra e dei pianeti. Infatti, il silicio è uno dei 
maggiori componenti della crosta e del mantello e l’importanza del carbonio e 
del suo ciclo va ben oltre la superficie terrestre, rendendo perciò la conoscenza 
della loro interazione fisico-chimica nella profondità del nostro pianeta una sfida 
scientifica di estremo interesse. 
M. Santoro, F. Gorelli, R. Bini, A. Salamat, G. Garbarino, C. Levelut, O. Cambon, 
and J. Haines (2014). Carbon enters silica forming a cristobalite-type CO2-
SiO2 solid solution. Nat. Commun. 5 (2014) 3761; doi: 10.1038/ncomms4761.
 
 
 
 
 
Struttura schematica della soluzione solida CO2-SiO2. Punti blu: atomi di silicio o di carbonio. Punti rossi: 
atomi di ossigeno. Si riportano anche la formula stechiometrica media ed il gruppo di simmetria del cristallo. 
Schematic structure of the CO2-SiO2 solid solution. Blue points: silicon or carbon atoms. Red points: oxygen atoms. The 
average chemical formula and the symmetry group of the crystal are also indicated.
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Mario Santoro et al.
Mario Santoro et al.
Mario Santoro è ricercatore presso INO-CNR ed uno dei principali fondatori del-
la linea di ricerca di Fisica e Chimica delle condizioni estreme al LENS, insieme 
a F. Gorelli e R. Bini. La sua attività riguarda lo studio dei solidi e dei liquidi ad 
alte pressioni tramite tecniche di spettroscopia ottica e di diffrazione e spettro-
scopia X, in laboratorio e presso luci di sincrotrone.
 
Federico A. Gorelli, ricercatore presso INO-CNR, è esperto di materia in condi-
zioni estreme di pressione e temperatura: diagrammi di fase, cristalli, liquidi ed 
amorfi studiati con spettroscopia ottica, diffrazione e spettroscopia X (luce di sin-
crotrone). È responsabile del diffrattometro a raggi X presso il LENS, per misure 
su campioni in condizioni estreme.
Roberto Bini è professore associato al Dipartimento di Chimica dell’Università di 
Firenze, coordinatore della linea di ricerca High Pressure Chemistry and Physics 
al LENS. La sua ricerca riguarda gli effetti della pressione e temperatura su sistemi 
molecolari semplici mediante tecniche di spettroscopia ottica lineare e non-lineare.
and Earth and planetary science. In fact, silicon is one of the major components of the Earth’s 
crust and mantle, while the importance of carbon and of its global cycle goes beyond the Earth’s 
surface, making knowledge of the physical-chemical interaction between these two elements in 
the depths of the Earth’s interior an extremely important scientific challenge.
Mario Santoro is a researcher at the INO-CNR, and he is one of the main founders of the re-
search line: Physics and Chemistry at extreme conditions at LENS, together with F. Gorelli and 
R. Bini. Santoro’s activity includes studies of solids and liquids at high pressures, using optical 
spectroscopy and X-ray diffraction and spectroscopy, both in the laboratory and at synchro-
tron sources. 
Federico A. Gorelli is a researcher at the INO-CNR, he is an expert of matter under extreme 
conditions of temperature and pressure: phase diagrams, crystals, liquids and amorphous ma-
terials studied through optical spectroscopy, synchrotron X-ray diffraction and spectroscopy. 
He is in charge of the X-ray set-up at LENS for experiments under extreme conditions. 
Roberto Bini is associate professor in the Chemistry Department of the University of Florence, 
he is in charge of the High Pressure Chemistry and Physics research line at LENS. His research 
is devoted to study of the effects of temperature and pressure on simple molecular systems by 
means of linear and non-linear optical spectroscopic techniques 


High pressures join carbon dioxide and silica

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High pressures join carbon dioxide and silica

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