Debajo de nosotros hay una esfera de hierro y níquel sólidos tan ancha como el punto más ancho de Texas, el núcleo interno de la Tierra. Los metales en el núcleo interno están expuestos a presiones unas 360 millones de veces más altas que las que experimentamos en nuestra vida diaria, y tienen aproximadamente la misma temperatura que la superficie del sol. Afortunadamente, el núcleo planetario de la Tierra está intacto. Pero en el espacio, núcleos similares pueden chocar con otros cuerpos celestes y hacer que el material cristalino del núcleo se deforme rápidamente.
Algunos asteroides en nuestro sistema solar son objetos de hierro masivos que los científicos sospechan que son los restos de núcleos planetarios después de impactos catastróficos.
Evidentemente, medir lo que sucede durante una colisión celeste o en el núcleo de la Tierra no es realista. Gran parte de nuestra comprensión de los núcleos planetarios se basa en estudios experimentales de metales a temperaturas y presiones menos extremas. Pero los investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía ahora han observado, por primera vez, cómo la estructura atómica del hierro se deforma para acomodar la presión y la temperatura fuera del núcleo.
Estos resultados han sido publicados en Physical Review Letters.
sobrellevar el estrés
La mayor parte del hierro que encontramos en nuestra vida diaria tiene átomos dispuestos en cubos a nanoescala, con un átomo de hierro en cada esquina y un átomo de hierro en el centro. Pero si los cubos se aprietan aplicando una presión extremadamente alta, se reorganizan en prismas hexagonales, lo que permite que los átomos se agrupen más juntos.
El equipo de SLAC quería ver qué sucedería si se continuara presionando esta disposición hexagonal para imitar lo que sucede con el hierro en el centro de la Tierra o durante el reingreso desde el espacio. “No alcanzamos las condiciones del núcleo interno”, señala la coautora del estudio, Arianna Gleason, “pero alcanzamos las condiciones del núcleo externo del planeta, lo cual es realmente notable”. ) división.
Nadie había observado directamente cómo reaccionaría el hierro al estrés a temperaturas y presiones tan altas antes, por lo que los investigadores no tenían idea de cómo reaccionaría. “A medida que continuamos presionándolo, el hierro no sabe cómo lidiar con esta presión adicional”, señaló Gleason. “Y necesita aliviar esa presión, por lo que está tratando de encontrar el mecanismo más eficiente para hacerlo”.
El mecanismo de afrontamiento que usa el hierro para lidiar con este estrés adicional se llama “hermanamiento”. La disposición de los átomos se desvió hacia un lado, girando todos los prismas hexagonales casi 90 grados. La macla es una reacción de tensión común en metales y minerales: el cuarzo, la calcita, el titanio y el circonio han experimentado maclas.
“El hermanamiento le da al hierro una fuerza increíble, más fuerte de lo que pensábamos inicialmente, antes de que comience a fluir plásticamente en escalas de tiempo más largas”, dijo Gleason.
Una historia de dos láseres
Se entiende que se requieren dos tipos de láseres para lograr estas condiciones extremas. El primero es un láser óptico, que genera ondas de choque que exponen las muestras de hierro a temperaturas y presiones extremadamente altas; el segundo es un láser de rayos X de electrones libres en la fuente de luz dependiente lineal (LCLS) de SLAC, que permite a los investigadores observar el hierro. a nivel atómico. “En ese momento, LCLS era la única instalación en el mundo que podía hacer esto”, dijo Sébastien Merkel, primer autor del artículo de la Universidad de Lille en Francia. “Ha sido pionera para otras instalaciones similares en el mundo. ”
El equipo disparó dos láseres a una diminuta muestra de hierro del ancho de un cabello humano y luego golpeó el hierro con una onda expansiva de calor y presión. “La sala de control está justo encima del laboratorio, y cuando activas la descarga escuchas un fuerte estallido”, dijo Merkel.
Cuando la onda de choque golpeó el hierro, los investigadores usaron un láser de rayos X para ver cómo el choque cambiaba la disposición de los átomos de hierro. “Podemos hacer mediciones en una mil millonésima de segundo”, dijo Gleason. “Donde los átomos se congelan en ese nanosegundo es realmente emocionante”.
Los investigadores recolectaron las imágenes y las unieron en un libro que muestra la deformación del hierro. Hasta que se completó el experimento, no sabían si la respuesta del hierro era demasiado rápida para medirla o demasiado lenta para no verla nunca. dijo Merkel. “El hecho de que el hermanamiento ocurra en una escala de tiempo que podemos medir es un resultado importante en sí mismo”.
El futuro es brillante
Este experimento es una estantería para comprender el comportamiento del hierro. Los científicos recopilaron datos experimentales sobre la estructura del hierro a temperaturas y presiones más bajas y los utilizaron para modelar cómo se comporta el hierro a temperaturas y presiones extremadamente altas, pero nadie ha probado estos modelos experimentalmente.
“Ahora podemos tener pulgares arriba y pequeños pulgares arriba para modelos físicos de algunos mecanismos de deformación realmente fundamentales”, dijo Gleason, “lo que ayuda a desarrollar algunas de las capacidades predictivas que nos faltan para modelar cómo responderán los materiales en condiciones extremas”.
Este estudio proporciona información interesante sobre las propiedades estructurales del hierro bajo calor y presión extremos. Al mismo tiempo, los resultados son un indicador prometedor de que los métodos también podrían ayudar a los científicos a comprender cómo se comportan otros materiales en condiciones extremas.
“Ahora que hemos desarrollado un método para realizar estas mediciones, el futuro es brillante”, dijo Gleason. “Como parte del proyecto LCLS-II, una actualización reciente del ondulador de rayos X permite energías de rayos X más altas, lo que hace para más gruesos El estudio de aleaciones y materiales con menor simetría y huellas dactilares de rayos X más complejas se vuelve posible”.
La actualización también permitirá a los investigadores observar muestras más grandes, lo que les dará una imagen más completa del comportamiento atómico del hierro y mejorará sus estadísticas. Además, “tendremos acceso a láseres ópticos más potentes y permiso para comenzar a construir una nueva instalación emblemática de láser de petavatio, conocida como MEC-U”, señaló Gleason, “lo que hará que el trabajo futuro sea aún más emocionante, ya que lo haremos”. para acceder al interior de la Tierra sin ningún problema”.
