Investigadores de la Universidad de Jena y del Sincrotrón Alemán de Electrones DESY resuelven un misterio de 60 años con un estudio de alta presión.
© US Geological SurveyEl cráter Barringer, en Arizona, se formó hace unos 50 000 años por un meteorito de hierro de unos 50 metros.
Los impactos de asteroides son acontecimientos catastróficos que crean enormes cráteres y a veces funden partes de la berock de la Tierra. "Sin embargo, los cráteres suelen ser difíciles de detectar en la Tierra, porque la erosión, la meteorización y la tectónica de placas hacen que desaparezcan a lo largo de millones de años", explica Langenhorst. Por ello, los minerales que sufren cambios característicos debido a la fuerza del impacto suelen servir como prueba de un impacto. Por ejemplo, la arena de cuarzo (que químicamente es dióxido de silicio, SiO2) se transforma gradualmente en vidrio a causa de un impacto de este tipo, y los granos de cuarzo quedan entonces entrecruzados por laminillas microscópicas. Esta estructura sólo puede explorarse en detalle con un microscopio electrónico. Puede observarse, por ejemplo, en material procedente del cráter Barringer, relativamente reciente y prominente, en Arizona (Estados Unidos).
"Durante más de 60 años, estas estructuras laminares han servido como indicador del impacto de un asteroide, pero nadie sabía hasta ahora cómo se formó esta estructura en primer lugar", afirma Liermann. "Ahora hemos resuelto este misterio de décadas".Para ello, los investigadores habían pasado años modificando y avanzando las técnicas que permiten estudiar materiales a alta presión en el laboratorio. En estos experimentos, las muestras suelen comprimirse entre dos pequeños yunques de diamante en la llamada célula de yunques de diamante (DAC). Esto permite generar de forma controlada presiones extremas, como las que se dan en el interior de la Tierra o en el impacto de un asteroide.
Láminas características
Para sus experimentos, el equipo utilizó una célula dinámica de yunque de diamante (dDAC) en la que la presión puede modificarse muy rápidamente durante la medición. Con este dispositivo, los científicos comprimieron pequeños monocristales de cuarzo cada vez con más fuerza, al tiempo que los atravesaban con la intensa luz de rayos X de PETRA III para investigar los cambios en su estructura cristalina. "El truco consiste en dejar que el impacto simulado de un asteroide se produzca lo suficientemente despacio como para poder seguirlo con la luz de rayos X, pero no demasiado, de modo que puedan seguir produciéndose los efectos típicos de un impacto de asteroide", explica Liermann. Los experimentos en la escala de segundos demostraron ser la duración adecuada.
"Observamos que a una presión de unas 180.000 atmósferas, la estructura del cuarzo se transformaba repentinamente en una estructura de transición más apretada, que denominamos rosiaítica", informa el primer autor, Christoph Otzen, que está escribiendo su tesis doctoral sobre estos estudios. "En esta estructura cristalina, el cuarzo se contrae un tercio de su volumen. Las láminas características se forman exactamente donde el cuarzo cambia a esta fase llamada metaestable, que nadie ha sido capaz de identificar en el cuarzo antes que nosotros." La rosiaíta es un mineral oxídico y el homónimo de la estructura cristalina que se conoce de diversos materiales. No consiste en sílice, sino que es un antimonato de plomo (un compuesto de plomo, antimonio y oxígeno).
Colapso en el desorden
"Cuanto más aumenta la presión, mayor es la proporción de sílice con una estructura similar a la rosiaita en la muestra", explica Otzen. "Pero cuando la presión vuelve a bajar, las láminas similares a la rosiaita no se transforman en la estructura original del cuarzo, sino que colapsan en láminas de vidrio con una estructura desordenada. También vemos estas laminillas en granos de cuarzo procedentes de depósitos de impactos de asteroides."
La cantidad y la orientación de las laminillas permiten sacar conclusiones sobre el impacto. Por ejemplo, indican cómo de alta ha sido la presión del impacto. "Durante décadas, estas laminillas se han utilizado para detectar y analizar impactos de asteroides", señala Langenhorst. "Pero sólo ahora podemos explicar y comprender con precisión su formación".
Para el estudio, los investigadores no utilizaron las presiones más altas técnicamente viables. "En el rango de las presiones más altas, se genera tanto calor que el material se funde o vaporiza", explica Langenhorst. "El material fundido que vuelve a solidificarse en roca no nos da mucha información útil por ahora. Lo importante, sin embargo, es precisamente el rango de presiones en el que los minerales experimentan cambios característicos en estado sólido, y eso es lo que hemos estudiado en este caso."
© Falko Langenhorst, Christoph Otzen (Universität Jena)El impacto simulado del asteroide crea diminutas láminas de vidrio en los cristales de cuarzo estudiados, de sólo decenas de nanómetros de ancho, que sólo son visibles al microscopio electrónico.
Los resultados podrían tener importancia más allá del estudio de los impactos de asteroides. "Lo que observamos podría ser un modelo de estudio para la formación de vidrio en materiales completamente distintos, como el hielo", señala Langenhorst. "Podría ser la vía genérica por la que una estructura cristalina se transforma en una fase metaestable en un paso intermedio durante la compresión rápida, que luego se transforma en la estructura desordenada de vidrio. Tenemos previsto investigarlo más a fondo, porque podría ser de gran importancia para la investigación de materiales."
Con la transformación prevista de PETRA III en el DESY en el mejor microscopio de rayos X del mundo, PETRA IV, estos estudios serán aún más realistas en el futuro. "Una intensidad de rayos X 200 veces mayor nos permitirá realizar estos experimentos 200 veces más rápido, por lo que podremos simular el impacto de un asteroide de forma aún más realista", afirma Liermann.
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