Los extremadamente violentos rayos que golpearon una duna de arena en Nebraska crearon una extraña forma de cristal que rara vez es vista en la naturaleza.
En el interior de un trozo de fulgurita -o “relámpago fosilizado”- creado por un potente rayo que penetró en la arena y la fundió, los científicos han hallado un cuasicristal, una disposición de la materia que antes se creía imposible.
Este descubrimiento sugiere que existen vías de formación de cuasicristales desconocidas hasta ahora, lo que abre nuevas vías para su síntesis en el laboratorio.
El equipo de investigadores dirigido por el geólogo Luca Bindi, de la Universidad de Florencia (Italia), escribe en su artículo:
“La presente investigación se diseñó para explorar un posible mecanismo diferente, inspirado en la naturaleza, para generar cuasicristales: la descarga eléctrica.
El descubrimiento de un cuasicristal en una fulgurita con una simetría de 12 pliegues raramente observada y una composición de la que no se había informado anteriormente indica que este enfoque también puede ser prometedor en el laboratorio”.
La fulgurita de Sandhills. El cuasicristal se encontró en la sección de la derecha. Crédito: Bindi et al., PNAS, 2022
La mayoría de los sólidos cristalinos de la naturaleza, desde la humilde sal de mesa hasta los diamantes más resistentes, siguen el mismo patrón: sus átomos están dispuestos en una estructura reticular que se repite en el espacio tridimensional.
Los sólidos que no tienen estas estructuras atómicas repetitivas -sólidos amorfos como el vidrio- suelen ser un caos atómico, un amasijo de átomos mezclados sin ton ni son.
Los cuasicristales rompen la regla: sus átomos están dispuestos siguiendo un patrón, pero ese patrón no se repite.
Cuasicristales, generados en condiciones extremas
Cuando surgió la idea de los cuasicristales en la década de 1980, se creía que era imposible. Los sólidos podían ser cristalinos o amorfos, no este extraño término medio. Pero entonces los científicos los encontraron, tanto en el laboratorio como en la naturaleza, en el interior de meteoritos.
Desde entonces, los científicos han determinado que los cuasicristales en la naturaleza sólo pueden formarse en condiciones extremas, con choques, temperaturas y presiones increíblemente altas.
El impacto de meteoritos a hipervelocidad es una de esas condiciones; de hecho, durante mucho tiempo fue el único escenario en el que se habían encontrado en la naturaleza y, por tanto, se pensó que posiblemente era el único lugar en el que podían formarse.
Entonces Bindi y su colega, el físico Paul Steinhardt de la Universidad de Princeton, junto con su equipo, encontraron un cuasicristal forjado durante una prueba de bomba nuclear en 1945. Aunque no se trataba exactamente de condiciones “naturales”, el descubrimiento sugería que podía haber otros escenarios en los que se formaran cuasicristales.
Una sección transversal de la fulgurita de Sandhills (izquierda) y una imagen de microscopía electrónica de barrido (derecha). Crédito: Bindi et al., PNAS, 2022
Cuasicristal nacido por un rayo
El rayo es una de las fuerzas más poderosas de la naturaleza, golpea a una velocidad extrema y puede calentar el aire que atraviesa a una temperatura 5 veces superior a la de la superficie del Sol.
Y, cuando golpea el suelo en el lugar adecuado con suficiente potencia, puede fundir la arena, dejando tras de sí una fulgurita, un “fósil” del camino que recorrió a través del suelo.
Todos los ingredientes están ahí: choque, temperatura y presión. Así que Bindi, Steinhardt y sus colegas se pusieron a investigar las fulguritas en busca de cuasicristales.
Obtuvieron una muestra de fulgurita de la región de Sandhills, en Nebraska, recuperada de un lugar cercano a un tendido eléctrico caído, y la sometieron a microscopía electrónica de barrido y de transmisión, para determinar su composición química y su estructura cristalina.
La muestra consistía en arena fundida y restos de metal conductor fundido de la línea eléctrica. En su interior, los investigadores hallaron un cuasicristal dodecaédrico (de doce lados) con la composición Mn72,3Si15,6Cr9,7Al1,8Ni0,6, de la que no se había informado anteriormente.
Singular patrón
Los átomos de este cuasicristal formaban un patrón con una simetría de 12 pliegues, dispuestos en un orden cuasicristalino imposible en los cristales normales.
Imagen de microscopía electrónica de un cuasicristal, que demuestra su orden y desorden. Crédito: Bindi et al., PNAS, 2022
No está claro si fueron los rayos o el tendido eléctrico los responsables de la electricidad que creó la fulgurita; sin embargo, basándose en su análisis, el equipo determinó que la arena tuvo que calentarse al menos a 1.710 grados Celsius (3.110 grados Fahrenheit) para crear la fulgurita.
Esto, según los investigadores, da pistas sobre cómo los científicos podrían crear cuasicristales en el laboratorio. Los cuasicristales hallados en un meteorito sugerían que la síntesis por choque podría ser una vía; el rayo ofrece nuevas posibilidades.
Los investigadores escriben en su artículo:
“El descubrimiento de un cuasicristal dodecagonal formado por el impacto de un rayo o la caída de una línea eléctrica sugiere que los experimentos con descargas eléctricas pueden ser otro método a añadir a nuestro arsenal de métodos de síntesis”.
Y el descubrimiento apunta a lo que podrían ser vías de formación de cuasicristales previamente pasadas por alto, tanto en la Tierra como fuera de ella.
Los investigadores agregaron:
“Los resultados presentados aquí, junto con las abundancias de oligoelementos medidas en cuasicristales naturales, abren la posibilidad de que la descarga eléctrica en la nebulosa solar primitiva pueda haber desempeñado un papel clave que no sólo dé cuenta de las condiciones reductoras requeridas, sino que también promueva la formación de cuasicristales”.
Los hallazgos de la investigación han sido publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences.
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