Debajo del núcleo externo fundido de la Tierra hay una región central densa: el núcleo interno, una esfera compacta hecha de una aleación de hierro y elementos ligeros que está comprimida por más de 3,3 millones de atmósferas y calentada a temperaturas comparables a las de la superficie del Sol. Durante años, los investigadores han luchado por explicar su comportamiento inusual. Aunque el núcleo interno es sólido, se comporta como un metal blando, ralentiza las ondas sísmicas y exhibe una relación de Poisson más similar a la mantequilla que al acero. Esta paradoja plantea una pregunta fundamental: ¿Cómo puede el núcleo sólido del planeta ser a la vez sólido y extrañamente flexible?
Un importante estudio publicado en National Science Review ofrece una poderosa explicación. El equipo de investigación informa que el núcleo interno de la Tierra no se comporta como un sólido convencional; en cambio, existe en un estado superiónico donde los elementos ligeros pasan a través de una estructura de hierro estable como si fueran líquidos. Este descubrimiento remodela nuestra imagen de las capas más profundas del planeta.
La investigación, dirigida por el profesor Yujun Zhang y el Dr. Yuqian Huang de la Universidad de Sichuan, junto con el profesor Yu He del Instituto de Geoquímica de la Academia China de Geoquímica, muestra que las aleaciones de hierro y carbono migran a una fase superiónica en condiciones extremas en el núcleo interno. En este entorno, los átomos de carbono atraviesan la red de hierro a altas velocidades, lo que reduce en gran medida la dureza de la aleación.
“Por primera vez hemos demostrado experimentalmente que las aleaciones de hierro y carbono presentan una velocidad de corte significativamente menor en las condiciones del núcleo en el interior”. Dijo el profesor Zhang. “En este estado, los átomos de carbono se vuelven muy móviles, dispersándose a través de la estructura cristalina del hierro como niños bailando en una danza cuadrada, mientras que el hierro mismo permanece sólido y ordenado. Esta llamada “fase superiónica” reduce drásticamente la dureza de la aleación”.
La evidencia experimental confirma predicciones anteriores
Aunque las simulaciones por computadora realizadas en 2022 sugirieron que el núcleo interno podría tomar esta forma externa, resultó difícil confirmarlo en el laboratorio, hasta ahora. Utilizando una plataforma de compresión de choque dinámico, los investigadores impulsaron las muestras de hierro-carbono a 7 kilómetros por segundo, alcanzando presiones de hasta 140 gigapascales y temperaturas cercanas a los 2.600 Kelvin, reproduciendo fielmente el entorno que se encuentra en el núcleo interno.
Al combinar mediciones de la velocidad del sonido in situ con simulaciones avanzadas de dinámica molecular, el equipo detectó una pérdida dramática de la velocidad de la onda de corte y un fuerte aumento en la relación de Poisson. Estos resultados se alinean con características sísmicas inesperadamente suaves registradas dentro de la Tierra. A nivel atómico, los datos muestran que los átomos de carbono se mueven libremente a través de la estructura ordenada del hierro, debilitando la red sin romperla.
Un núcleo superiónico que da forma a la dinámica de la Tierra
El modelo superiónico no sólo explica las anomalías sísmicas crónicas sino que también amplía nuestra comprensión de cómo el núcleo interno contribuye a los procesos internos de la Tierra. El movimiento de las partículas de luz puede explicar la anisotropía sísmica (la variación direccional en la velocidad de las ondas sísmicas) y también puede desempeñar un papel en el mantenimiento del campo magnético de la Tierra.
“La expansión nuclear dentro del núcleo interno representa una fuente de energía para la geodinamo que antes se pasaba por alto”, dijo el Dr. Huang. “Además del calor y la convección composicional, el movimiento fluido de los elementos ligeros puede ayudar a impulsar el motor magnético de la Tierra”.
La investigación también aclara controversias sobre el comportamiento de los materiales ligeros bajo estrés extremo. Investigaciones anteriores se han centrado principalmente en compuestos o aleaciones alternativas, pero este trabajo destaca el papel clave de las soluciones sólidas intersticiales (especialmente las que involucran carbono) en el control de las propiedades físicas del núcleo.
Un cambio en la forma en que los científicos ven el centro de la Tierra
Según el profesor Zhang, estos hallazgos representan un cambio importante en la forma en que los científicos interpretan el núcleo interno. “Estamos pasando de un modelo estático y rígido del núcleo interno a uno dinámico”, explicó.
El efecto se extiende más allá de la Tierra. Detectar una fase superiónica en el núcleo interno podría mejorar nuestra comprensión de la evolución magnética y térmica en otros planetas rocosos y exoplanetas. Como señala Zhang, “comprender este estado oculto de la materia nos acerca un paso más a desbloquear los misterios internos de planetas como la Tierra”.
Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, el Programa de Ciencia y Tecnología de Sichuan y el Equipo Interdisciplinario Juvenil de CAS.
