Un equipo internacional de investigación ha logrado, por primera vez, medir simultáneamente la resistencia dinámica del hierro en condiciones de presión y temperatura que simulan el núcleo interno de la Tierra. Este estudio, publicado en Nature Communications, combina experimentos realizados en el National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory, en Estados Unidos, con simulaciones computacionales avanzadas para entender cómo se deforma el hierro en uno de los entornos más extremos del planeta.
Claves de la noticia
Investigación pionera
Se mide por primera vez la resistencia del hierro bajo condiciones extremas similares a las del núcleo terrestre.
Colaboración internacional
Participan investigadores de varias instituciones, incluyendo la Universidad Politécnica de Madrid.
Implicaciones geofísicas
Los hallazgos pueden influir en nuestra comprensión de la dinámica del núcleo terrestre y su campo magnético.
La Universidad Politécnica de Madrid (UPM) está representada en este proyecto por Carlos Ruestes, investigador Ramón y Cajal vinculado al Instituto de Fusión Nuclear “Guillermo Velarde”, quien es el único autor español y europeo del estudio. Su labor se centró en realizar simulaciones de dinámica molecular que son cruciales para conectar las observaciones experimentales con los mecanismos a nivel atómico que rigen la deformación del hierro.
“Los experimentos permiten alcanzar condiciones extraordinarias, pero es necesario analizar también la respuesta a escala atómica”, señala Ruestes. Las simulaciones permiten establecer un vínculo entre lo observado experimentalmente y los procesos microscópicos involucrados.
Recreando condiciones extremas
El hierro es un componente esencial del núcleo terrestre y otros planetas rocosos. Sin embargo, medir sus propiedades mecánicas bajo presiones extremas —de millones de atmósferas— y temperaturas superiores a 5.000 grados Celsius representa un desafío significativo. Para ello, el equipo utilizó el NIF, una instalación láser capaz de generar breves intervalos que replican las condiciones internas profundas de la Tierra. Los pulsos láser comprimieron muestras de hierro hasta alcanzar presiones cercanas a tres millones de atmósferas.
A través de diagnósticos ultrarrápidos con rayos X y técnicas ópticas, los investigadores observaron cómo se deformaba el material. El análisis se basó en el crecimiento de inestabilidades inducidas durante la prueba, lo que permitió inferir la resistencia del hierro en estas circunstancias extremas.
La interpretación de los resultados requirió una combinación de diferentes niveles de simulación. Las simulaciones hidrodinámicas ayudaron a reconstruir la evolución general del experimento, mientras que las simulaciones moleculares revelaron cómo respondía el material a nivel atómico.
Resultados significativos
Uno de los hallazgos más destacados fue un comportamiento inesperado relacionado con la transición de fase del hierro bajo presión. Durante el proceso de compresión, los átomos reconfiguran su estructura cristalina, lo que altera su microestructura y genera granos más pequeños que afectan significativamente su resistencia mecánica.
El equipo descubrió que el hierro presenta resistencias variables dependiendo de la orientación cristalina inicial. Algunas orientaciones generan fases más resistentes bajo alta presión, lo cual contrasta con las tendencias observadas en condiciones ambientales normales.
Las grandes simulaciones realizadas confirmaron esta tendencia y ayudaron a identificar su origen: cómo diferentes orientaciones cristalinas atraviesan la transición de fase y se deforman posteriormente en estructuras sometidas a alta presión. “Este resultado indica que incluso bajo presiones extremas, la historia estructural del material sigue siendo relevante”, concluye Ruestes.
Impacto en geofísica y materiales extremos
Comprender cómo se comporta el hierro bajo estas condiciones es fundamental para interpretar la dinámica del núcleo interno terrestre. La forma en que este metal se deforma puede influir en fenómenos como la anisotropía sísmica, es decir, cómo varía la velocidad de propagación de las ondas sísmicas según la dirección dentro del núcleo interno.
Dichos fenómenos están vinculados a la estructura y evolución profunda del interior terrestre y podrían proporcionar información valiosa sobre su historia dinámica y su relación con el campo magnético terrestre. Además, estos hallazgos tienen repercusiones más amplias para el estudio de materiales sometidos a condiciones extremas y para entender el interior no solo de nuestro planeta sino también otros cuerpos celestes ricos en hierro.
Una colaboración científica destacada
Este estudio reúne a expertos del Lawrence Livermore National Laboratory, University of California San Diego, Universidad de Mendoza, SLAC National Accelerator Laboratory y Stanford University junto con UPM. Esta colaboración resalta el trabajo conjunto entre científicos estadounidenses, argentinos y españoles para abordar cuestiones fundamentales sobre materiales bajo condiciones extremas.
"Este trabajo demuestra el valor al integrar instalaciones experimentales avanzadas con simulación computacional", concluye Ruestes, subrayando que desde universidades iberoamericanas se pueden hacer contribuciones significativas a problemas científicos complejos que requieren una estrecha conexión entre experimentación teórica y computación avanzada.
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