El sincrotrón de electrones alemán DESY resuelve un misterio de 60 años con un estudio de alta presión
Por primera vez, los investigadores registraron en vivo y en detalle atómico lo que le sucede al material en el impacto de un asteroide.
El equipo de Falko Langenhorst de la Universidad de Jena y Hanns-Peter Liermann del sincrotrón de electrones alemán, DESY, simuló un impacto de asteroide con el mineral cuarzo en el laboratorio y lo persiguió a cámara lenta en una celda de yunque de diamante, mientras lo monitoreaba con la fuente de rayos X PETRA III de DESY.
La observación revela un estado intermedio en el cuarzo que resuelve un misterio de décadas sobre la formación de láminas características en el material golpeado por un asteroide. El cuarzo es omnipresente en la superficie de la Tierra y es, por ejemplo, el componente principal de la arena. El análisis ayuda a comprender mejor los rastros de pasados impactos y también puede tener importancia para materiales completamente diferentes.
Los impactos de asteroides son eventos catastróficos que crean enormes cráteres y, a veces, derriten partes del lecho rocoso 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 durante millones de años", explica Langenhorst.
Por lo tanto, los minerales que experimentan cambios característicos debido a la fuerza del impacto a menudo sirven como evidencia de un impacto. Por ejemplo, la arena de cuarzo (que químicamente es dióxido de silicio, SiO2) se transforma gradualmente en vidrio por un impacto de este tipo, y los granos de cuarzo se entrecruzan luego con láminas microscópicas. Esta estructura solo se puede explorar en detalle bajo un microscopio electrónico. Se puede ver en el material del cráter Barringer relativamente reciente y prominente en Arizona, EE. UU., por ejemplo.
Imagen: El cráter Barringer en Arizona se formó hace unos 50.000 años por un meteorito de hierro de aproximadamente 50 metros. Imagen: Servicio Geológico de EE. UU.
"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", dice Liermann. "Ahora hemos resuelto este misterio de décadas".
Para hacerlo, los investigadores pasaron años en el laboratorio modificando y desarrollando técnicas que permiten estudiar materiales bajo alta presión. En estos experimentos, las muestras generalmente se comprimen entre dos pequeños yunques de diamante en una denominada celda de yunque de diamante (DAC). Permite que las presiones extremas, como las que prevalecen en el interior de la Tierra o en el impacto de un asteroide, se generen de manera controlada.
Laminillas características
Para sus experimentos, el equipo utilizó una celda dinámica de yunque de diamante (dDAC) en la que la presión se puede cambiar muy rápidamente durante la medición. Con este dispositivo, los científicos comprimieron pequeños cristales individuales de cuarzo cada vez más fuertes, mientras hacían pasar la intensa luz de rayos X de PETRA III a través de ellos para investigar los cambios en su estructura cristalina.
"El truco consiste en dejar que el impacto del asteroide simulado avance lo suficientemente lento como para poder seguirlo con la luz de rayos X, pero no demasiado lento, de modo que aún puedan ocurrir los efectos típicos del impacto de un asteroide", dice Liermann. Los experimentos en la escala de segundos demostraron tener la duración correcta.
"Observamos que a una presión de alrededor de 180.000 atmósferas, la estructura de cuarzo se transformó repentinamente en una estructura de transición más apretada, que llamamos similar a la rosiaita", informa el primer autor Christoph Otzen, quien está escribiendo su tesis doctoral sobre estos estudios. "En esta estructura cristalina, el cuarzo se contrae en un tercio de su volumen. Las láminas características se forman exactamente donde el cuarzo cambia a esta llamada fase metaestable, que nadie ha podido identificar en el cuarzo antes que nosotros".
La rosiaita es un mineral oxídico y el homónimo de la estructura cristalina que se conoce a partir de varios materiales. No consiste en sílice, sino que es un antimoniato de plomo (un compuesto de plomo, antimonio y oxígeno).
Imagen derecha: El impacto del asteroide simulado crea diminutas láminas de vidrio en los cristales de cuarzo estudiados, de solo decenas de nanómetros de ancho, que solo son visibles bajo el microscopio electrónico. Crédito: Falko Langenhorst, Christoph Otzen (Universität Jena)
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 caer, las láminas similares a la rosiaíta no se transforman de nuevo en la estructura de cuarzo original, sino que colapsan en láminas de vidrio con una estructura desordenada. También vemos estas láminas en granos de cuarzo de depósitos de impactos de asteroides".
La cantidad y orientación de las laminillas permiten sacar conclusiones sobre el impacto. Por ejemplo, indican qué tan alta ha sido la presión del impacto. "Durante décadas, tales láminas se han utilizado para detectar y analizar impactos de asteroides", señala Langenhorst, "pero solo ahora podemos explicar y comprender su formación con precisión".
Para el estudio, los investigadores no utilizaron las presiones más altas técnicamente factibles. "En el rango de las presiones más altas, se genera tanto calor que el material se derrite o se vaporiza", explica Langenhorst. "El material fundido que se solidifica de nuevo en roca no nos da mucha información útil por ahora. Sin embargo, lo importante es precisamente el rango de presión en el que los minerales experimentan cambios característicos en el estado sólido, y eso es lo que estudiamos en este caso".
¿Modelo para la formación de vidrio?
Los resultados podrían tener un significado más allá del estudio de los impactos de asteroides. "Lo que observamos podría ser un estudio modelo para la formación de vidrio en materiales completamente diferentes, como el hielo", señala Langenhorst. "Podría ser el camino genérico en el 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 de vidrio desordenada. Planeamos investigar esto más a fondo, porque podría ser de gran importancia para la investigación de materiales".
Con la transformación planificada de PETRA III en DESY en el mejor microscopio de rayos X del mundo, PETRA IV, en el futuro tales estudios serán aún más realistas posibles. "Una intensidad de rayos X 200 veces mayor nos permitirá ejecutar estos experimentos 200 veces más rápido, por lo que podemos simular el impacto de un asteroide de manera aún más realista", dice Liermann.
Los investigadores presentan sus hallazgos en Nature Communications: Evidence for a rosiaite-structured high-pressure silica phase and its relation to lamellar amorphization in quartz
