En julio del año pasado una investigación académica sacudió la física de materiales con un protagonista inesperado: una roca espacial recogida en Alemania hace tres siglos. En su interior albergaba un mineral cuyo comportamiento térmico no encaja en ninguna clasificación conocida. Lo más desconcertante no es el material en sí (que también), sino que llevaba criando polvo en una vitrina desde 1724: nadie lo había mirado con el instrumental adecuado hasta ahora.
El meteorito de 1724. Llamado "meteorito de Steinbach" por la región alemana de Sajonia donde cayó. Los restos pasaron rápidamente a engrosar las colecciones de los museos por su origen exótico y su belleza, sin llamar especialmente la atención de la comunidad científica. Entre ellos, en el Museo Nacional de Historia Natural de París, donde está el fragmento que se usó para esta investigación.
Lo que contiene ese fragmento es tridimita meteórica, una forma de dióxido de silicio extraordinariamente rara en la Tierra. Es un polimorfismo del cuarzo que solo se genera bajo condiciones extremas de temperatura y presión, unas condiciones que no se dan en la geología terrestre ordinaria, pero sí en impactos de meteoritos o en entornos volcánicos.
Por qué es importante. En una frase: por sus propiedades. La tridimita del meteorito de Steinbach mantiene una conductividad térmica prácticamente constante entre los −193 °C hasta 107 °C de temperatura (80 y los 380 kelvin), algo que más allá de significar que conduce el calor igual aunque estés en el invierno frío de Islandia o en una ola de calor en el desierto, tiene una particularidad: ningún material conocido se comporta así.
Esa estabilidad térmica es una rareza en sí misma en tecnología de materiales y le confiere una aplicabilidad clara para la gestión térmica: permite diseñar dispositivos electrónicos que no se sobrecalientan y sistemas de aislamiento aeroespacial con una eficiencia impensable bajo las leyes de la física clásica.
Contexto. En 2009 el físico Michele Simoncelli junto a Nicola Marzari y Francesco Mauri desarrollaron una ecuación unificada basada en el formalismo de transporte de Wigner capaz de describir simultáneamente el comportamiento térmico de cristales, vidrios y cualquier estado intermedio. Esa ecuación predecía teóricamente la existencia de materiales con conductividad térmica invariante a la temperatura como este. El problema es que nadie había encontrado ese material en el mundo real.
En el universo la mayoría de los minerales se forman bajo presiones y temperaturas terrestres que fuerzan a los átomos a adoptar redes cristalinas estándar. Pero en el cinturón de asteroides, los restos de protoplanetas diferenciados experimentan procesos de enfriamiento y colisiones catastróficas que generan fases minerales que no existen de forma natural en la corteza terrestre. La tridimita es común en rocas volcánicas, pero esta de origen meteórico tiene la ventaja de llevar millones de años estabilizándose térmicamente en el espacio.
Algo no cuadra. Hasta ahora la ciencia asumía que un material sólido debía ser o un cristal (estructura ordenada) o un vidrio (estructuras ordenadas) y sus propiedades térmicas dependían de esa estructura: la conductividad térmica de un cristal decrece al aumentar la temperatura porque las vibraciones de la red cristalina (los fonones) se dispersan entre sícon más intensidad. En un vidrio ocurre justo lo contrario porque su desorden interno facilita formas de transmitir el calor adicionales al calentarse. Son tendencias opuestas, robustas y bien documentadas experimentalmente durante décadas.
El meteorito de Steinbach se salta las reglas y se comporta como ambos a la vez. La tridimita meteórica de Steinbach tiene una estructura atómica que presenta orden en los enlaces químicos como un cristal y desorden geométrico en la disposición de esos enlaces como un vidrio. Esa combinación genera una compensación exacta entre ambos mecanismos de transporte, el de propagación (propio de cristales) y el de tunelización (propio de vidrios), es lo que el equipo de investigación llaman conductividad PTI, propagation-tunneling-invariant.
Cómo lo han descubierto. El descubrimiento ha sido posible gracias a la termorreflectometría, que mide variaciones en la reflectividad óptica de una superficie al ser excitada térmicamente con un láser pulsado, permitiendo inferir la conductividad térmica con alta resolución. Lo que vieron fue que los átomos de silicio no estaban en filas perfectas, pero tampoco al azar: seguían una secuencia de "orden de rango medio" que anteriormente solo existía en modelos matemáticos, confirmando punto por punto las predicciones de la ecuación de Wigner.
Sí, pero. La tridimita meteórica es disruptiva en tecnología de materiales, el problema está en la reproducibilidad y la escasez. Hasta ahora solo hemos encontrado este material en el meteorito de Steinbach, una muestra limitada de un hito astronómico acaecido hace tres siglos. Conseguirlo de meteoritos es sencillamemnte inviable y el reto de fabricar este vidrio-cristal de forma sintética no es pequeño precisamente. Una curiosidad: el paper explica que en el cráter Gale marciano también se ha detectado tridimita, lo que genera preguntas sobre cómo ha influido en la historia geológica del planeta rojo o abre la posibilidad de una eventual minería espacial.
Por otro lado y aunque es cierto que el material desafía las leyes de la física, es importante destacar que hablamos de la física actual: no es que las leyes fueran falsas, es que simplemente eran incompletas.
Portada | Fred Kruijen y Batu Gezer
-
La noticia En 1724 cayó un meteorito en Alemania: acabamos de descubrir que contenía un material 'imposible' para la física fue publicada originalmente en Xataka por Eva R. de Luis .
☞ El artículo completo original de Eva R. de Luis lo puedes ver aquí
