El oro puede reorganizar sus átomos y formar una nueva estructura bajo condiciones extremas, dice el nuevo estudio realizado por un grupo de científicos de Estados Unidos.
por José María Martínez Gallego
El rey de los metales es un material extremadamente importante para los experimentos de alta presión y se considera el «estándar de oro» para calcular la presión en experimentos con células yunque de diamante estático. Cuando se comprime lentamente a temperatura ambiente (del orden de segundos a minutos), el oro prefiere ser la estructura cúbica centrada en la cara a presiones de hasta tres veces el centro de la Tierra.
Sin embargo, investigadores del Lawrence Livermore National Laboratory y de la Carnegie Institution of Washington descubrieron que cuando el oro se comprime rápidamente durante nanosegundos (mil millonésimas de segundo), el aumento de la presión y la temperatura cambia la estructura cristalina a una nueva fase de oro. Esta conocida estructura cúbica centrada en el cuerpo se transforma en una estructura de cristal más abierta que la estructura fcc. Estos resultados fueron publicados recientemente en "Physical Review Letters".
Los investigadores utilizaron un láser de alta energía para calentar el oro hasta temperaturas extremas y someterlo a presiones próximas a las que se registran en el centro de la Tierra.
«Descubrimos una nueva estructura en oro que existe en estados extremos: dos tercios de la presión encontrada en el centro de la Tierra«, dijo el autor principal de la investigación Richard Briggs. «La nueva estructura en realidad tiene un empaquetamiento menos eficiente a presiones más altas que la estructura inicial, lo que fue sorprendente teniendo en cuenta la gran cantidad de predicciones teóricas que apuntaban a estructuras más compactas que deberían existir«.
Los experimentos se llevaron a cabo en el Sector de Compresión Dinámica (DCS) en la Fuente de Fotones Avanzados, en el Laboratorio Nacional de Argonne. DCS es la primera instalación de rayos X sincrotrón dedicada a la ciencia de la compresión dinámica. Estos experimentos de usuarios fueron algunos de los primeros realizados en hutch-C, la estación láser dedicada de alta energía de DCS. El oro era el tema ideal para estudiar debido a su alta Z (que proporciona una fuerte señal de dispersión de rayos X) y su diagrama de fase relativamente inexplorado a altas temperaturas.
El equipo descubrió que la estructura del oro comenzó a cambiar a una presión de 220 GPa (2,2 millones de veces la presión atmosférica de la Tierra) y comenzó a derretirse cuando se comprimió a más de 250 GPa.
«La observación del oro líquido a 330 GPa es sorprendente«, dijo Briggs. «Esta es la presión en el centro de la Tierra y es más de 300 GPa más alta que las mediciones anteriores de oro líquido a alta presión«.
La transición de la estructura fcc a bcc es quizás una de las transiciones de fase más estudiadas debido a su importancia en la fabricación de acero, donde las altas temperaturas o tensiones provocan un cambio en la estructura entre las dos estructuras fcc / bcc. Sin embargo, no se sabe qué mecanismo de transición de fase es responsable. Los resultados del equipo de investigación muestran que el oro experimenta la misma transición de fase antes de fundirse, como consecuencia de la presión y la temperatura, y los futuros experimentos que se centran en el mecanismo de la transición pueden ayudar a aclarar los detalles clave de esta importante transición para la fabricación de aceros fuertes.
«Muchos de los modelos teóricos de oro que se utilizan para comprender el comportamiento de alta presión/alta temperatura no predijeron la formación de una estructura centrada en el cuerpo«, dijo Briggs. «Nuestros resultados pueden ayudar a los teóricos a mejorar sus modelos de elementos bajo compresión extrema y buscar el uso de esos nuevos modelos para examinar los efectos de la unión química para ayudar al desarrollo de nuevos materiales que pueden formarse en estados extremos«.
Anteriormente se creía que oro solo podía formar una estructura cristalina, llamada cúbico centrado en las caras en la que los átomos se ubican en cada cara y ángulo.
Gracias a su estabilidad, el metal amarillo ha sido considerado durante un tiempo como un tipo de estándar para los experimentos, cuyo objetivo era calcular la alta presión. Sin embargo, todas las investigaciones anteriores conducidas en oro involucraron una lenta compresión a temperaturas bajas.
Durante su experimento el investigador principal Richard Briggs y su equipo colocaron un pequeño trozo de plástico frente a un pedazo de oro y le dispararon con un láser de alta energía y lo trataron con rayos X. Las ondas de choque hicieron que el metal se calentara extremadamente rápido, en cuestión de varios nanosegundos.
Como resultado, el oro formó otra estructura cristalina llamada "cúbico centrado" en la que los átomos se colocaron en cada ángulo y tan solo un átomo se ubicó en su centro. Los científicos estadounidenses descubrieron que el oro empieza a cambiar su forma tras ser sometido a la presión de unos 220 gigapascales, que supera a la presión atmosférica de nuestro planeta en 2,2 millones de veces.
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