Importante descubrimiento en uno de los lugares más misteriosos del planeta

El oxígeno puede existir en el núcleo interno sólido de la Tierra, según un estudio que aporta restricciones clave para la comprensión del proceso de formación y evolución del centro planetario.

El oxígeno es la sustancia clave para la vida y uno de los elementos más abundantes en la Tierra. Sin embargo, en la investigación previa se desconocía si el oxígeno está presente (y en qué forma puede existir) en el núcleo interno, que está compuesto de hierro casi puro y donde prevalecen condiciones extremas de alta presión y temperatura.

Los científicos codirigidos por el doctor Jin Liu de HPSTAR (el Centro de Investigación Avanzada de Ciencia y Tecnología de Alta Presión) y el doctor Yang Sun de la Universidad de Columbia revelan que las aleaciones de Fe-O (óxido de hierro) ricas en Fe son estables a presiones extremas de casi 300 GPa y altas temperaturas de más de 3.000 K. Los resultados, publicados en la revista The Innovation, demuestran que el oxígeno puede estar presente en el núcleo interno sólido del planeta.

El núcleo interno sólido de la Tierra, como uno de los lugares más misteriosos del planeta, se encuentra en el entorno de temperatura y presión más extremas de la Tierra, con una presión de más de 3 millones de atmósferas y una temperatura cercana a la superficie del sol, aproximadamente 6000K.

Debido a que el núcleo interno está mucho más allá del alcance de los humanos, solo podemos inferir su densidad y composición química a partir de las señales sísmicas generadas por los terremotos. En la actualidad, se cree que existen elementos ligeros en el núcleo interno, pero el tipo y el contenido aún se debaten. La evidencia cosmoquímica y geoquímica sugiere que debería contener azufre, silicio, carbono e hidrógeno. Los experimentos y cálculos también confirmaron que estos elementos se mezclan con hierro puro para formar varias aleaciones de Fe en condiciones de alta temperatura y alta presión en las profundidades de la Tierra.

Sin embargo, el oxígeno generalmente se excluye del núcleo interno. Esto se debe principalmente a que nunca se han encontrado aleaciones de Fe-O con composiciones ricas en hierro en la superficie o en el manto. El contenido de oxígeno en todos los óxidos de hierro conocidos es mayor o igual al 50 por ciento atómico. Aunque la gente ha estado tratando de sintetizar compuestos de óxido de hierro con composiciones ricas en hierro, tales sustancias nunca se han encontrado todavía.

Experimentos

¿Es el núcleo interno de la Tierra tan «anóxico»? Para responder a esta pregunta, en este estudio se llevaron a cabo una serie de experimentos y cálculos teóricos.

Para estar cerca de la temperatura y la presión del núcleo de la Tierra, se colocaron hierro puro y óxido de hierro en las puntas de dos yunques de diamante y se calentaron con un rayo láser de alta energía. Después de muchos intentos, se descubrió que se produce una reacción química entre el hierro y el óxido de hierro por encima de 220-260 GPa y 3000 K. Los resultados de XRD revelan que el producto de reacción es diferente de la estructura común de alta temperatura y alta presión del hierro puro y óxido de hierro.

La búsqueda teórica de la estructura cristalina utilizando un algoritmo genético demostró que la aleación Fe-O rica en hierro podría existir de manera estable a aproximadamente 200 GPa. Bajo tales condiciones, las nuevas aleaciones de Fe-O ricas en Fe forman una estructura compacta hexagonal, donde las capas de oxígeno están dispuestas entre las capas de Fe para estabilizar la estructura. Tal mecanismo produce muchos arreglos compactos que forman una gran familia de compuestos de Fe-O ricos en Fe con una gran entropía configuracional.

Con base en esta información teórica, se encontró una configuración atómica de Fe28O14 que coincidía con el patrón XRD medido experimentalmente. Cálculos posteriores mostraron que las fases de Fe-O ricas en Fe son metálicas, en contraste con los óxidos de hierro comunes a bajas presiones. La estructura electrónica depende de la concentración de O y de la disposición de las capas de Fe y O. Las propiedades mecánicas y térmicas de la aleación deben estudiarse más a fondo en el futuro.