Simulan la formación de rocas por impactos de meteoros o por explosiones nucleares

Científicos elaboran un modelo para mapear la generación de coesita, un material presente en un cráter que sería producto de la caída de un cuerpo celeste en México, que derivó en la extinción de los dinosaurios

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La coesita es un polimorfo de sílice cuya formación requiere de altísimas presiones, que deben ser 10 mil veces mayores que la presión atmosférica normal en promedio. Por este motivo, su presencia en un determinado sitio constituye un marcador de afloramiento de material del manto terrestre (que se extiende por profundidades que van desde los 30 kilómetros hasta casi 3.000 kilómetros por debajo de la corteza del planeta), del impacto de cuerpos celestes (cometas, meteoros o meteoritos) o de explosiones nucleares.

El mecanismo de transformación de sílice (SiO₂) en coesita, cuya comprensión en el seno de la comunidad científica no estaba del todo clara, ahora ha quedado dilucidado mediante una simulación atomística computacional, en un estudio llevado a cabo por científicos de la Universidad de São Paulo, en Brasil (USP), de la Academia de Ciencias de China (Hefei, China) y del The Abdus Salan International Centre for Theoretical Physics (Trieste, Italia).

El artículo intitulado Multiple pathways in pressure-induced phase transition of coesite, firmado por esa cooperación internacional, salió publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), de la Academia de Ciencias de Estados Unidos.

“La coesita es dióxido de silicio. Su composición química es la misma del cuarzo. La diferencia reside en que la alta presión desestructura la red cristalina característica del cuarzo y compacta los átomos de silicio y de oxígeno en un sistema amorfo. El resultado es un vidrio de alta densidad. Una vez que sobrepasa una presión límite, el proceso de amorfización se vuelve irreversible y el material no logra volver a la configuración cristalina”, declaró Caetano Rodrigues Miranda, docente del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo y autor principal del artículo, a Agência FAPESP.

Un objetivo en el estudio de la coesita consiste en obtener aquello que puede caracterizarse como “el mejor vidrio posible”. Existe un horizonte de aplicación tecnológica, debido a ciertas propiedades específicas referentes a la conductividad térmica y otras; pero, por ahora, el mayor interés en la investigación reside en utilizar los hallazgos del material como marcadores de escenarios de altísima presión antes mencionados. “La coesita es la ‘firma’ característica de estos escenarios”, resumió Rodrigues Miranda, quien también desarrolla una investigación en el marco del Proyecto Temático intitulado “Interfaces en materiales: propiedades electrónicas, magnéticas, estructurales y de transporte”, que cuenta con el apoyo de la FAPESP.

En el estudio, los científicos superaron las divergencias que existían con relación al proceso de transformación de la coesita en otras fases (la octaédrica de alta presión y las coesitas II y III) y arribaron a un modelo consistente con los datos observacionales, como así también describieron los mecanismos moleculares adyacentes a esas transformaciones. “Sería sumamente difícil reproducir en laboratorio las condiciones de alta presión presentes en el manto terrestre. Por eso recurrimos a la  simulación computacional y describimos las interacciones entre los átomos de la forma más realista posible, mapeando las transformaciones resultantes de la variación de presión paso por paso”, informó el investigador.

La mejor manera de seguir dicha evolución es a través del efecto Raman, observado experimentalmente en 1928 por el físico indio Chandrasekhara Venkata Raman.

El efecto Raman se refiere a la dispersión inelástica de la luz a través de la materia. Cuando un determinado material recibe un pulso de láser, la mayor parte de los fotones se dispersan elásticamente por las moléculas o por los átomos del material, y cabe acotar que lo hacen con la misma frecuencia que los fotones incidentes. Con todo, un pequeño porcentaje de los mismos se dispersan inelásticamente, con una frecuencia en general menor. El estudio de esta dispersión inelástica mediante de la espectroscopía Raman permite determinar la composición y la estructura del material. “Es como si fuese la impresión digital del material”, comparó Rodrigues Miranda.

En el caso en cuestión, lo que los investigadores hicieron fue simular –con base en la dinámica molecular– el espectro Raman de las distintas estructuras de la coesita bajo varias presiones. Así obtuvieron la correlación de la estructura del material con la presión envolvente, mapeando los múltiples caminos de la transformación de la coesita hasta su completa amorfización paso por paso, o en las fases cristalinas de la sílice a altísimas presiones.

“Cada estructura exhibe un patrón muy característico en el espectro Raman. A medida que la estructura se modifica, debido a la  variación de presión, este patrón también se altera. Y esto nos permite saber cuáles son las estructuras en presencia y cómo se transforman en función de la presión. La comparación con los resultados experimentales permite validar el modelo adoptado”, sintetizó Rodrigues Miranda.

“Los tamaños de los enlaces, los ángulos existentes entre éstos y los modos de vibración de los átomos son variables que suministra este procedimiento. Aun cuando no es una estructura amorfa –por ende, con una configuración mucho menos regular que la del cuarzo, que es cristalina, por ejemplo–, la coesita posee una impresión digital característica en la espectroscopía Raman”, prosiguió.

“En el cristal, las distancias existentes entre los átomos que forman la red y los ángulos compuestos por los segmentos que unen a los diferentes átomos son siempre los mismos. Esto produce un pico claramente definido en la espectroscopía. A medida que el material se amorfiza, este pico se transforma en una meseta alargada”, añadió.

Un trabajo sumamente interesante, realizado en simultáneo por el investigador de la USP, consistió en la “sonificación” de los espectros hallados. Dicha “sonificación”, en este caso, consiste en convertir las altas frecuencias características de la luz en bajas frecuencias típicas del sonido. “La sonificación permite utilizar la audición en lugar de la visión en el análisis de los datos. Desde el punto de vista científico, la ventaja de este procedimiento es producto del hecho de que la audición permite detectar mejor pequeñas variaciones o datos más complejos. Es más fácil oír que ver. Asimismo, existe también una ventaja desde el punto de vista artístico, ya que con los fragmentos sonoros obtenidos es posible componer música. Y así se tiende un puente entre la ciencia y el arte”, afirmó Rodrigues Miranda (Haga clic aquí para escuchar el audio: http://www.fapesp.br/audio/audio.wav).

El descubrimiento de muestras de coesita en el cráter de Chicxulub, ubicado en la península de Yucatán, en México, se convirtió en una fuerte evidencia de que esa formación geológica se habría constituido debido al impacto de un cometa o de un gran asteroide.

Ese cráter, de formato circular y con más de 180 kilómetros de diámetro, enterrado bajo la superficie de la península, fue descubierto a finales de la década de 1970 por los geofísicos Antonio Camargo (México) y Glen Penfield (Estados Unidos), que prospectaban petróleo en el área. Su presumible caracterización como cráter de impacto sólo pudo concretarse en 1990, cuando Penfield obtuvo fragmentos de rocas formadas bajo alta presión en la zona.

En 2016, una perforación de centenas de metros realizada en el área del epicentro del cráter suministró muestras de coesita y de otras rocas que prácticamente dan por terminado el tema, al aportar evidencias robustas del impacto.

La colisión que produjo ese cráter fue dos millones de veces más potente que la explosión del mayor artefacto nuclear que la humanidad ya probó: la Bomba del Zar, de 58 megatones, detonada por la Unión Soviética en 1961.

La fecha del impacto, estimada en poco menos de 66 millones de años atrás, converge con la hipótesis de un súbito cambio climático durante ese período de tiempo, que habría provocado la extinción de un 75% de las especies de plantas y de animales del planeta, incluso de todos los dinosaurios no aviares. Además de provocar un mega tsunami y una gigantesca onda de choque seguida por terremotos, erupciones volcánicas, incendios y otros cataclismos a escala global, ese impacto levantó una nube de polvareda y aerosoles que habría cubierto toda la superficie de la Tierra durante alrededor de una década.

Puede leerse el artículo intitulado Multiple pathways in pressure-induced phase transition of coesite, de Caetano Rodrigues Miranda (USP); Wei Liu, Xuebang Wu, Yunfeng Liang, Changsong Liu (Academia de Ciencias de China) y Sandro Scandolo (The Abdus Salan International Centre for Theoretical Physics, Itália), en el siguiente enlace: www.pnas.org/content/114/49/12894.abstract.