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| Imagen: Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC |
Nuestra comprensión de los núcleos planetarios se basa principalmente en estudios experimentales de metales a temperaturas y presiones menos extremas. En un nuevo estudio, los científicos del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía han observado cómo se deforma la estructura atómica del hierro para adaptarse a la tensión de las presiones y temperaturas que se dan en el exterior del núcleo interno.
Los átomos de hierro están dispuestos en cubos nanoscópicos, con un átomo de hierro en cada esquina y uno en el centro. Al apretar estos cubos con altas presiones, se reorganizan en prismas hexagonales. Estos prismas empaquetan los átomos de forma más compacta.
Los científicos querían determinar qué ocurriría si se siguiera aplicando presión a esa disposición hexagonal para imitar lo que le ocurre al hierro en el núcleo de la Tierra o durante la reentrada atmosférica desde el espacio.
La coautora Arianna Gleason, científica de la División de Ciencia de Alta Densidad de Energía (HEDS) del SLAC, dijo: "No logramos las condiciones del núcleo interno. Pero logramos las condiciones del núcleo exterior del planeta, lo cual es notable".
"Hasta ahora, nadie había observado la respuesta del hierro al estrés bajo temperaturas y presiones tan altas. A medida que seguimos presionando, el hierro no sabe qué hacer con este estrés adicional. Y necesita aliviar esa tensión, así que intenta encontrar el mecanismo más eficiente para hacerlo".
El hierro utiliza un mecanismo de afrontamiento llamado hermanamiento para lidiar con esa tensión extra. Este mecanismo desplaza la disposición de los átomos hacia un lado, girando todos los prismas hexagonales casi 90 grados.
Según Gleason, "el hermanamiento permite que el hierro sea increíblemente fuerte -más fuerte de lo que pensábamos al principio- antes de que empiece a fluir plásticamente en escalas de tiempo mucho más largas".
El equipo empleó dos tipos de láser para alcanzar estas condiciones extremas. El primero fue un láser óptico, que generó una onda de choque que sometió la muestra de hierro a temperaturas y presiones extremadamente altas. El segundo fue el láser de rayos X de electrones libres de la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS) del SLAC, que permitió observar el hierro a nivel atómico.
El autor principal, Sébastien Merkel, de la Universidad de Lille (Francia), dijo: "En aquel momento, el LCLS era la única instalación del mundo en la que se podía hacer eso. Ha sido una puerta abierta para otras instalaciones similares en el mundo".
Los científicos dispararon ambos láseres a una diminuta muestra de hierro del ancho de un cabello humano. Se produjo un fuerte estallido.
Al mismo tiempo, utilizando un láser de rayos X, los científicos observaron cómo el choque cambiaba la disposición de los átomos de hierro.
Gleason formuló: "Pudimos medir una milmillonésima de segundo. Congelar los átomos donde están en ese nanosegundo es emocionante".
Los científicos recopilaron estas imágenes y las ensamblaron en un libro de fichas que mostraba la deformación del hierro.
Merkel manifestó: "El hecho de que el hermanamiento se produzca en la escala de tiempo en que podemos medirlo es un resultado importante en sí mismo".
Este estudio ofrece interesantes conocimientos sobre las propiedades estructurales del hierro a temperaturas y presiones extremadamente altas. También es un indicador prometedor de que estos métodos podrían ayudar a los científicos a entender cómo se comportan otros materiales también en condiciones extremas.
Gleason afirmó: "El futuro es brillante ahora que hemos desarrollado una forma de realizar estas mediciones". La reciente actualización del ondulador de rayos X, que forma parte del proyecto LCLS-II, permite obtener energías de rayos X más elevadas, lo que permite estudiar aleaciones más gruesas y materiales con menor simetría y huellas de rayos X más complejas."
Fuentes, créditos y referencias:
Sébastien Merkel et al. Femtosecond Visualization of hcp-Iron Strength and Plasticity under Shock Compression. DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.205501