Los impactos de meteoritos pueden crear una forma inesperada de sílice

Cuando un meteorito atraviesa la atmósfera y se estrella contra la Tierra, ¿cómo altera su violento impacto los minerales que se encuentran en el lugar de aterrizaje? ¿Qué pueden enseñar a los científicos las fases químicas de corta duración creadas por estos impactos extremos sobre los minerales existentes en las condiciones de alta temperatura y presión que se encuentran en las profundidades del planeta?

Un nuevo trabajo dirigido por Sally June Tracy de Carnegie examinó la estructura cristalina del cuarzo, un mineral compuesto de sílice, bajo compresión de choque y está desafiando antiguas suposiciones sobre cómo se comporta este material omnipresente en condiciones tan intensas. Los resultados se publicaron en la revista Science Advances.

"El cuarzo es uno de los minerales más abundantes en la corteza terrestre, encontrándose en una multitud de tipos de rocas diferentes", explicó Tracy. "En el laboratorio, podemos imitar el impacto de un meteorito y ver lo que sucede".

Tracy y sus colegas - Stefan Turneaure de la Universidad Estatal de Washington (WSU) y Thomas Duffy de la Universidad de Princeton, un ex becario de Carnegie - utilizaron una pistola de gas especializada parecida a un cañón para acelerar proyectiles contra muestras de cuarzo a velocidades extremadamente altas, varias veces más rápido que una bala disparada con un rifle. Se utilizaron instrumentos especiales de rayos X para discernir la estructura cristalina del material que se forma menos de una millonésima de segundo después del impacto. Los experimentos se llevaron a cabo en el Laboratorio Nacional de Argonne.

Imágenes de difracción de rayos X que muestran la nueva forma de sílice creada al enviar una intensa onda de choque a través de una muestra de cuarzo utilizando una pistola de gas especializada. Cuando los rayos X rebotan en los planos repetidos de una estructura cristalina, se dispersan. Esto crea un distintivo patrón de anillos. Cada anillo está asociado a un plano diferente y juntos estos datos pueden informar a los investigadores sobre la arquitectura a nivel atómico del material. (Foto: Sally June Tracy, Stefan Turneaure, y Thomas Duffy)

El cuarzo está compuesto por un átomo de silicio y dos átomos de oxígeno dispuestos en una estructura tetraédrica en rejilla. Debido a que estos elementos también son comunes en el manto rico en silicatos de la Tierra, el descubrimiento de los cambios que experimenta el cuarzo a alta presión y temperatura, como los que se encuentran en el interior de la Tierra, también podría revelar detalles sobre la historia geológica del planeta.

Cuando un material es sometido a presiones y temperaturas extremas, su estructura atómica interna puede ser reformada, haciendo que sus propiedades cambien. Por ejemplo, tanto el grafito como el diamante están hechos de carbono. Pero el grafito, que se forma a baja presión, es blando y opaco, y el diamante, que se forma a alta presión, es superduro y transparente. Las diferentes disposiciones de los átomos de carbono determinan sus estructuras y sus propiedades, y eso a su vez afecta a la forma en que nos relacionamos con ellos y los utilizamos.

A pesar de décadas de investigación, ha habido un duradero debate en la comunidad científica sobre la forma que adoptaría la sílice durante un evento de impacto, o en condiciones de compresión dinámica como las que despliegan Tracy y sus colaboradores. Bajo la carga de choque, a menudo se supone que la sílice se transforma en una forma cristalina densa conocida como stishovita, una estructura que se cree que existe en las profundidades de la Tierra. Otros han argumentado que debido a la rápida escala de tiempo del choque el material adoptará en su lugar una estructura densa y vítrea.

Tracy y su equipo pudieron demostrar que, en contra de lo esperado, cuando se le somete a un choque dinámico de más de 300.000 veces la presión atmosférica normal, el cuarzo sufre una transición a una nueva fase cristalina desordenada, cuya estructura es intermedia entre la stishovita totalmente cristalina y un vidrio totalmente desordenado. Sin embargo, la nueva estructura no puede prolongarse una vez que el estallido de presión intensa ha disminuido.

"Los experimentos de compresión dinámica nos permitieron poner fin a este largo debate", concluyó Tracy. "Lo que es más, los eventos de impacto son una parte importante para entender la formación y evolución planetaria y las posteriores investigaciones pueden revelar nueva información sobre estos procesos". (Fuente: NCYT Amazings)