Un equipo de investigadores ha encontrado un cuasicristal, un tipo de material con una estructura ordenada pero no periódica, entre los restos de la primera detonación atómica de la historia. La nueva estructura, desconocida hasta ahora, se compone de hierro, silicio, cobre y calcio y probablemente se formase a partir de la fusión de cables de cobre con la arena del desierto vaporizada.

En el pasado se habían sintetizado materiales similares en el laboratorio y se habían identificado también en fragmentos meteoritos, pero hasta hoy no se conocía ninguno con esa combinación de elementos. Los resultados se publican en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Los cuasicristales son materiales que no son amorfos ni cristalinos. Sus celdas básicas son disposiciones de átomos que, al contrario de lo que ocurre con los cristales ordinarios, no se repiten de manera uniforme en patrones regulares. Mientras que la estructura atómica de un cristal se repite una y otra vez a medida que nos trasladamos por la muestra, los cuasicristales poseen simetrías que resultan incompatibles con esa simetría de traslación. Por ejemplo, pueden exhibir simetría pentagonal, lo que quiere decir que muestran las mismas propiedades cuando se rotan un quinto de circunferencia, algo imposible en un cristal ordinario.

Materiales «imposibles»

En 1982, Daniel Shechtman, científico de materiales que actualmente trabaja en el Instituto Technion de Haifa, en Israel, descubrió una de tales simetrías inesperadas en una aleación sintética. Dicha simetría podía explicarse si las celdas básicas de la muestra eran icosaédricas; es decir, poliedros de 20 caras. En su momento, numerosos investigadores cuestionaron los hallazgos de Shechtman, ya que puede demostrarse matemáticamente que es imposible llenar el espacio usando solo icosaedros. A pesar de ello, en 2011 Shechtman acabaría recibiendo el premio Nobel de química por su descubrimiento.

Hacia la misma época, Paul Steinhardt, físico teórico que ahora trabaja en la Universidad de Princeton, y sus colaboradores habían comenzado a considerar la existencia de estructuras tridimensionales no repetitivas. Estas presentaban la misma simetría que un icosaedro, pero se ensamblaban a partir de celdas de varios tipos diferentes y que nunca se repetían con mismo patrón, lo que explicaba por qué el estudio matemático de los cristales las había pasado por alto. Roger Penrose, físico matemático de la Universidad de Oxford, y otros investigadores habían descubierto con anterioridad patrones análogos en dos dimensiones, hoy conocidos como «embaldosados de Penrose».

Steinhardt, uno de los autores del nuevo hallazgo, recuerda el momento en que vio por primera vez los datos experimentales de Shechtman y los comparó con sus predicciones teóricas. «Me levanté de la mesa y fui a ver nuestro patrón. No se notaba la diferencia», rememora. «Fue un momento increíble.»

En los años siguientes se sintetizaron varios tipos de cuasicristales que extendieron el abanico de simetrías «prohibidas». Más tarde, Steinhardt y sus colaboradores encontraron la primera «icosaedrita» de origen natural en los fragmentos de un meteorito hallado en Siberia. Aquel cuasicristal probablemente se formase en una colisión entre asteroides en los albores del sistema solar, afirma Steinhardt. En cuanto a los cuasicristales de laboratorio, algunos de ellos también se han sintetizado haciendo chocar materiales a gran velocidad, por lo que Steinhardt y sus colaboradores se preguntaron si la onda de choque de una explosión nuclear podría generar estas estructuras.

Aleación nuclear

El ensayo Trinity, la primera detonación de una bomba nuclear de la historia, tuvo lugar el 16 de julio de 1945 en Alamogordo, Nuevo México. Tras la prueba, los investigadores hallaron un vasto campo de «trinidad»: un material vítreo verdoso formado a partir de la licuefacción de la arena del desierto.

La bomba de plutonio había sido detonada sobre una torre de 30 metros de altura cargada de sensores y cables. Como resultado, parte de la trinitita tenía inclusiones rojizas, explica Steinhardt. «Era la fusión de un material natural con el cobre de las líneas de transmisión.» Los cuasicristales suelen formarse a partir de elementos que normalmente no se combinarían por sí solos, por lo que Steinhardt y sus colaboradores pensaron que las muestras de la trinitita roja podían ser un buen lugar para buscarlos.

«Pasamos diez meses seccionando [las muestras] y buscando todo tipo de minerales», recuerda el investigador. «Hasta que finalmente encontramos un grano diminuto.» El nuevo cuasicristal presenta el mismo tipo de simetría icosaédrica que el descubierto originalmente por Shechtman.

«El predominio del silicio en su estructura es muy particular», indica Valeria Molinero, química teórica de la Universidad de Utah que no ha participado en la investigación. «Sin embargo, después de que se hayan sintetizado tantos cuasicristales en el laboratorio, lo que veo más intrigante es que sean tan escasos en la naturaleza», continúa. Steinhardt opina que eso podría deberse a que la formación de cuasicristales implica combinaciones inusuales de elementos y ordenaciones poco comunes.

Al igual que la mayoría de los cuasicristales conocidos, la nueva muestra de trinitita parece ser una aleación, un material de tipo metálico caracterizado por la presencia de iones de carga positiva en un mar de electrones. Semejante estructura es poco habitual en el silicio, el cual suele encontrarse en las rocas en forma oxidada. Revertir esa oxidación habría exigido condiciones extremas, como la elevada presión y temperatura de una onda de choque, explica Lincoln Hollister, geólogo de Princeton.

Steinhardt añade que los cuasicristales tal vez podrían emplearse para una especie de «ciencia nuclear forense», ya que podrían revelar aquellos lugares donde se hayan llevado a cabo ensayos nucleares secretos. Y puede que también aparezcan en otros materiales formados a partir de condiciones violentas, como la fulgurita, el material que se crea cuando un rayo impacta contra una roca, la arena u otros sedimentos. «La saga de los cuasicristales continuará», concluye Hollister.

Davide Castelvecchi

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «Síntesis accidental de un cuasicristal previamente desconocido en la primera prueba de bomba atómica»; Luca Bindi et al. en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, vol. 118, art. e2101350118, 1 junio de 2021.



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