El diamante, con su red de carbono de cubos entrelazados difícil de romper, se considera tradicionalmente el material más duro de la Tierra. Sin embargo, una forma rara de diamante conocida como lonsdaleita, un cristal con átomos de carbono dispuestos en hexágonos tridimensionales flexibles, puede ser incluso más duro que su primo cúbico.
Hasta la fecha, la lonsdaleita natural se ha encontrado solo en cráteres de impacto, donde se ha formado por la intensa presión de los meteoritos que chocan contra la Tierra. Pero ahora los investigadores dicen que han identificado cristales de lonsdaleita que se formaron miles de millones de años antes de que los meteoritos que los transportaban llegaran al planeta. Si la teoría del equipo sobre la formación de los cristales es correcta, sus hallazgos podrían ofrecer a los científicos una mejor manera de fabricar la sustancia ultra dura en la Tierra.
Para un estudio publicado este mes en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU., el equipo de investigación, con sede principalmente en Australia, examinó 18 muestras de meteoritos diferentes de una familia conocida como “ureilitas”. Debido a que las ureilitas son relativamente homogéneas en su composición química, que es excepcionalmente rica en carbono, los científicos teorizan que se originan del mismo cuerpo principal.
“Había este planeta enano justo después del comienzo de nuestro sistema solar, hace 4500 millones de años, y el planeta fue golpeado por un asteroide”, dice Alan Salek, estudiante graduado en física aplicada en el Royal Melbourne Institute of Technology en Australia. y coautor del nuevo estudio. Este impacto catastrófico destrozó el planeta enano, provocando una reacción química que podría haber convertido piezas del grafito del planeta en lonsdaleita, añade.
El grafito está formado por capas planas de átomos de carbono unidos como hexágonos. Estas capas apiladas se atraen débilmente entre sí y son relativamente fáciles de separar. En la Tierra, el calor y la presión elevados pueden reorganizar estos átomos de carbono en una red tridimensional de cubos, creando así el tipo tradicional de diamante. Pero un breve período de presión extremadamente intensa, como el impacto de un meteorito, puede preservar la disposición hexagonal original del grafito mientras sus capas se unen en la fuerte red tridimensional de lonsdaleita.
Los investigadores proponen que, en lugar de la presión de impacto rápido que se sabe que produce pequeños cristales de lonsdaleita en la Tierra, estas muestras se formaron a través de una rápida liberación de presión. Afirman que una mezcla fluida de carbono, hidrógeno, oxígeno y azufre se calentó y presurizó en el manto del planeta enano hasta que el impacto de un asteroide rompió ese manto en pedazos. El coautor del estudio, Andrew Tomkins, geólogo de la Universidad de Monash en Australia, dice que la mezcla de productos químicos que se despresuriza rápidamente podría haber interactuado con el grafito del planeta enano para transformarlo en lonsdaleita.
En esta reacción en particular, los cristales de grafito se habrían desgarrado y reconstruido en lonsdaleita. “Se llama ‘disolución-reprecipitación acoplada’ porque es como disolver esta cosa y reemplazarla al mismo tiempo”, dice Tomkins. Esta reacción impulsada por fluidos tuvo lugar en trozos del planeta enano mientras volaban al espacio. Y al igual que las naves de escape del planeta Krypton, esos pedazos finalmente llevaron su preciada carga hasta la Tierra.
Los investigadores llegaron a esta historia del origen de la lonsdaleita a través de un minucioso análisis de sus 18 muestras de ureilita. Tomkins explica que la estructura de los minerales de estos meteoritos indica un proceso de enfriamiento rápido que apunta a una colisión dramática. Al observar las firmas radiactivas particulares de los minerales, los investigadores estimaron una fecha para esta colisión, hace aproximadamente 4.500 millones de años. Además, las muestras contienen capas entrelazadas de lonsdaleita, diamante cúbico y grafito en un patrón que apunta a la transformación impulsada por fluidos que describe el equipo de Tomkins.
Los investigadores externos señalan que esta es solo una posible explicación de la presencia de lonsdaleita en estos meteoritos. “Creo que el método de formación que se presenta aquí es lógico y puede ser un camino posible para formar este material, pero admito que no estoy 100 por ciento convencida”, dice Jodie Bradby, quien investiga física de alta presión en la Universidad Nacional de Australia, pero no estaba convencida. involucrados en el estudio. “Espero que este documento impulse más estudios teóricos y de modelado en esta área”, agrega.
Dominik Kraus, físico de alta densidad de energía de la Universidad de Rostock en Alemania, que tampoco participó en el estudio, opina lo mismo. “Para mí, se parece a un escenario de Goldilocks en este momento: todo tiene que salir bien”, dice.
Para verificar el método de formación, dice Kraus, los investigadores deberán replicarlo: el próximo paso clave es “imitar estas condiciones… y ver si realmente podemos hacer crecer estos cristales de diamantes hexagonales de manera algo efectiva en este régimen”.
Kraus y Bradby han estado involucrados en proyectos de investigación que crearon con éxito lonsdaleíta sintética al someter otras formas de carbono a una presión intensa, muy similar a lo que ocurre durante el impacto de un meteorito. Y, sin embargo, al igual que la lonsdaleita que se encuentra en los cráteres de meteoritos, estos cristales sintéticos de lonsdaleita tienden a ser diminutos, en la escala de nanómetros. (Eso es una mil millonésima parte de un metro.)
Las motas de lonsdaleita que identificó el grupo de investigación de Salek y Tomkins tenían un tamaño de hasta una micra, todavía extremadamente pequeñas pero aproximadamente 1000 veces más grandes que cualquier cristal de lonsdaleita conocido anteriormente. Esto sugiere que una transformación de grafito impulsada por fluidos en lonsdaleita podría producir cristales más grandes que el método de impacto.
Si el equipo de Salek y Tomkins puede recrear su proceso de transformación teórica en un laboratorio, no solo sería una victoria para su teoría, sino también para la ciencia de los materiales en general. La lonsdaleita nunca se ha obtenido en muestras lo suficientemente grandes como para probar su verdadera dureza (o para evaluar su verdadero color, que sigue siendo incierto). Pero los modelos matemáticos de la estructura de la lonsdaleita indican que la sustancia podría ser hasta un 58 por ciento más dura que el diamante cúbico.
“Sería muy útil tener un material como este, que prácticamente no podría ser dañado por nada en la Tierra”, dice Salek. Podría reemplazar el diamante en hojas de sierra y brocas, por ejemplo, o funcionar como componentes electrónicos diminutos y extremadamente duraderos. Bradby agrega que la lonsdaleita podría ayudar a cortar diamantes regulares con relativa facilidad.
Aún así, recrear las condiciones exactas descritas en este documento será un desafío. Los investigadores tendrán que producir temperaturas extremas, presiones elevadas y una mezcla precisa de los productos químicos que supuestamente catalizaron la transformación del grafito en lonsdaleita. Es factible, al menos en teoría. Pero incluso si dicho proceso produce con éxito el cristal, no está claro qué tan difícil o costoso sería escalar a una producción de nivel industrial.
“Es un largo camino por recorrer antes de que tengamos un anillo de lonsdaleita en un dedo”, dice Salek.