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Compuestos de Fe-O ricos en hierro a las presiones del núcleo terrestre. Crédito: Jin Liu
El oxígeno y el hierro son los elementos más abundantes de la Tierra, y sus compuestos son componentes clave en la formación de planetas. Mientras que el oxígeno es omnipresente en el manto, su presencia en el núcleo interno sólido sigue siendo discutible.
Investigadores dirigidos por Yang Sun, de la Universidad de Columbia, y Jin Liu, del Centro de Investigación Avanzada en Ciencia y Tecnología de Alta Presión (HPSTAR), han descubierto que las aleaciones Fe-O ricas en Fe son estables a casi 300 GPa(Gigapascales) y a temperaturas de hasta 3.000 Kelvin. Estos hallazgos sugieren que el oxígeno puede existir en el núcleo interno sólido, lo que aporta datos clave para comprender mejor el proceso de formación y la evolución del núcleo de la Tierra.
Dado que el núcleo interno está fuera del alcance humano, sólo podemos adivinar su densidad y composición química a partir de las señales sísmicas que producen los terremotos. Aunque su tipo y composición siguen siendo objeto de debate, actualmente se cree que el núcleo interno contiene componentes ligeros. Los datos cosmoquímicos y geoquímicos predicen que incluye azufre, silicio, carbono e hidrógeno. Los cálculos y experimentos también apoyan la conclusión de que, bajo las altas temperaturas y presiones de las profundidades de la Tierra, estos elementos se combinan con hierro puro para crear diversas aleaciones de Fe.
Sin embargo, el oxígeno suele excluirse del núcleo interno, ya que nunca se han encontrado aleaciones Fe-O con composiciones ricas en hierro en la superficie o en el manto. Todos los óxidos de hierro conocidos tienen una concentración de oxígeno superior o igual al 50% en porcentaje atómico. Aunque se ha intentado crear compuestos de óxido de hierro con composiciones ricas en hierro, todavía no se ha descubierto ningún material de este tipo. ¿Es tan "anóxico" el núcleo de la Tierra? En este trabajo se realizaron varias pruebas y cálculos teóricos para dar una respuesta a esta pregunta.
Se colocaron hierro puro y óxido de hierro en los extremos de dos yunques de diamante y se dispararon con un rayo láser de alta energía a una temperatura y presión próximas a las del núcleo de la Tierra. Tras numerosos esfuerzos, se descubrió que por encima de 220-260 GPa y 3000 K se produce una reacción química entre el hierro y el óxido de hierro. Según los datos de DRX, el producto de la reacción es distinto de la estructura típica a alta temperatura y alta presión del hierro y el óxido de hierro puros.
Una búsqueda teórica de la estructura cristalina basada en algoritmos genéticos ha demostrado que la aleación Fe-O rica en hierro puede sobrevivir de forma estable a una presión de unos 200 GPa. En tales circunstancias, las nuevas aleaciones Fe-O ricas en Fe desarrollan una estructura hexagonal compacta, con las capas de oxígeno situadas entre las capas de Fe para sostener la estructura. Un proceso como éste crea muchos compuestos de Fe-O ricos en Fe con alta entropía configuracional y configuraciones de empaquetamiento estrecho. Estos datos teóricos se utilizaron para identificar una disposición atómica Fe28O14 que coincidía con el patrón de DRX registrado experimentalmente.
Otros cálculos mostraron que las fases Fe-O ricas en Fe son metálicas, lo que contrasta con los óxidos de hierro comunes a bajas presiones. La estructura electrónica depende de la concentración de O y de la disposición de las capas de Fe y O. Las propiedades mecánicas y térmicas de la aleación deberán estudiarse más a fondo en el futuro.
Fuentes, créditos y referencias: