Una colisión meteórica generó la extraña geometría de los cuasicristales

En la mañana del 8 de abril de 1982 apareció en el microscopio electrónico del científico israelí Daniel Shechtman la imagen de un cristal que parecía ir en contra de las leyes de la naturaleza.

Hasta entonces, se pensaba que en la materia sólida en la que aparecen átomos empaquetados ​​dentro de cristales, los patrones simétricos se repetían una y otra vez. Para los científicos esta repetición era imprescindible para obtener un cristal.

Sin embargo, la imagen del científico israelí señalaba que los átomos de ese cristal se empaquetaban siguiendo un patrón que no se podía repetir.  Este descubrimiento rompía las normas establecidas y fue extremadamente controvertido, pero por fin mereció el Premio Nobel de Química de 2011.

Lo que se había hallado fue bautizado como “cuasicristal ”. Desde entonces, los cuasicristales se han definido como estructuras cristalinas que presentan unos patrones regulares que asombrosamente nunca se repiten. Por esta característica, a menudo se han comparado con los mosaicos árabes.

Tras el descubrimiento de Shechtman, otros investigadores han logrado crear tipos diversos de cuasicristales en laboratorio. En la actualidad también se experimenta con el uso de cuasicristales en diferentes productos, como sartenes y motores diesel.

Diferencias entre cristal y cuasicristal

Los cristales ordinarios están constituidos por estructuras formadas por un solo tipo de grupos de átomos que se repite a intervalos regulares, reuniéndose de manera muy similar a como se reúnen los azulejos de los alicatados de las paredes de los baños, por ejemplo.

Hasta la aparición de los cuasicristales se creía además que todos los cristales tenían simetrías de solo dos, tres, cuatro y seis pliegues.  Pero un cuasicristal tiene dos o más tipos de agrupaciones atómicas que se repiten a intervalos distintos con una proporción irracional, lo que hace posibles simetrías hasta entonces inconcebibles, como la simetría de cinco pliegues.

Para entender mejor la diferencia entre los cristales y los cuasicristales imaginemos un suelo de baldosas. Si estas son hexagonales, todas ellas podrán encajarse perfectamente para cubrir el suelo (algo similar a lo que sucede con las estructuras que forman los átomos de los cristales); pero si las baldosas son pentágonos y decágonos que se juntan, surgirán huecos entre los azulejos (esto se asemejaría a la estructura con que se organizan los átomos de los cuasicristales). 

Aparecen en la naturaleza

En 2009, los cuasicristales volvieron a sorprender a la ciencia, pues se halló una muestra de cuasicristal de origen natural en Chukotka, una región del extremo oriente de Rusia.  

En 2012, otra expedición realizada a esa misma región halló un segundo cuasicristal. Los autores del descubrimiento determinaron entonces que estas estructuras habían llegado  a la Tierra desde el espacio exterior, en un meteorito del tipo condrito carbonáceo CV3 que se sabe había colisionado con otro cuerpo celeste en el cinturón de asteroides, antes de chocar contra nuestro planeta durante el Último periodo glacial, es decir, hace alrededor de 15.000 años   

Desde esta aparición de cuasicristales naturales, los científicos han tratado de averiguar cómo se formaron estos. Ahora, un estudio realizado por el científico Paul Asimow, profesor de geología y geoquímica del Caltech (EEUU) podría tener la respuesta.

Simulando el choque en laboratorio

Para empezar, Asimow y sus colaboradores se plantearon la hipótesis de que la energía liberada por el antiguo choque del meteorito de Chukotka podría haber causado la formación de los cuasicristales encontrados, mediante la activación de un ciclo rápido de compresión, calefacción, descompresión y refrigeración.

Así que, para probar su hipótesis, Asimow simuló una colisión entre dos asteroides en su laboratorio. Para ello, tomó dos finas láminas de minerales presentes en el meteorito en cuestión (una aleación metálica de cobre y aluminio que sólo se ha encontrado en la naturaleza en dicho meteorito) y las intercaló en una cápsula con la forma de un disco de hockey.

A continuación, enroscó el disco en el cañón de un arma propelente de cuatro metros de largo y un diámetro de 20 milímetros, y lo golpeó con un proyectil a una velocidad de casi un kilómetro por segundo, aproximadamente la misma velocidad a la que se disparan las armas más rápidas.  

Después de que la muestra fuera impactada, fue meticulosamente examinada. Se comprobó así que el impacto había separado los elementos combinados y, en varios puntos, había creado cuasicristales microscópicos.

Implicaciones y cuestiones pendientes

A partir de esta evidencia empírica, Asimow defiende que los choques son la causa de la formación natural de cuasicristales. "Sabemos que el meteorito de Chukhotka colisionó. Y ahora sabemos que con una sacudida de los materiales iniciales disponibles en ese meteorito se obtiene un cuasicristal".

Aún así, el científico reconoce que su experimento deja muchas preguntas sin respuesta. Por ejemplo, no aclara en qué momento del ciclo de presión y a qué temperatura de choque el cuasicristal llegó a formarse. Asimismo, queda otro misterio aún mayor por resolver, señala: el origen de la aleación de cobre y aluminio presente en el meteorito, nunca antes vista en otro lugar de la naturaleza.

Asimow planea ahora hacer colisionar varias combinaciones de minerales para ver qué ingredientes clave son necesarios para la formación de cuasicristales naturales.

Referencia bibliográfica:

Paul D. Asimow, et al. Shock synthesis of quasicrystals with implications for their origin in asteroid collisions. PNAS (2016). DOI:  10.1073/pnas.1600321113.