En la zona más inaccesible del planeta, a miles de kilómetros bajo la corteza, un equipo de científicos encontró indicios experimentales de un estado inusual de la materia en el núcleo interno de la Tierra. El resultado apunta al hidruro de hierro como un material capaz de entrar en fase superiónica bajo presiones y temperaturas extremas. En ese régimen, la red de hierro conserva su estructura sólida, pero los átomos de hidrógeno adquieren movilidad dentro del cristal.
El dato no solo suma una pieza nueva al rompecabezas del interior terrestre: también ofrece una vía concreta para entender por qué el centro del planeta exhibe propiedades sísmicas que todavía no encuentran una explicación completa.
La investigación, encabezada por los doctores en geología Yoshihiro Nagaya, Yusuke Okazaki y Kenji Ohta en Science Tokyo, se publicó en Nature Geoscience y avanzó sobre un problema que hasta ahora dependía sobre todo de cálculos teóricos y simulaciones por computadora.
El núcleo interno terrestre se compone principalmente de hierro, aunque distintos modelos indican que también contiene pequeñas cantidades de elementos livianos, entre ellos hidrógeno, oxígeno o carbono. Esa mezcla, sometida a condiciones extremas, podría comportarse de formas muy distintas de las que se observan en la superficie.
El punto central del nuevo trabajo radica en eso: por primera vez surgieron pruebas directas de que una aleación rica en hierro y con hidrógeno incorporado puede atravesar una transición hacia el estado superiónico en condiciones comparables a las del interior profundo del planeta. Esa observación modifica el debate porque deja de lado una hipótesis apoyada casi exclusivamente en modelos y la acerca al terreno experimental.
La clave del hallazgo fue observar que el hierro quedó fijo y el hidrógeno ganó movilidad dentro del cristal
El estado superiónico suele describirse como una fase híbrida. Una parte del material conserva el orden de un sólido, mientras otra se mueve con una libertad más cercana a la de un líquido. En este caso, el armazón de hierro permanece en posiciones relativamente fijas dentro de la red cristalina, pero el hidrógeno puede desplazarse a través de ella. Esa combinación resulta relevante para la geofísica porque cambia propiedades mecánicas y eléctricas del material.
Los autores se concentraron en el FeHX, una forma de hidruro de hierro que, bajo ciertas condiciones, adopta una estructura cúbica centrada en las caras, conocida como fcc por su denominación en inglés.
Según explicó Kenji Ohta, “Dado que el estado superiónico de las aleaciones de hierro y elementos ligeros solo existe en condiciones de ultra alta presión y ultra alta temperatura, nunca se había observado experimentalmente. Se espera que el FeHX adopte una estructura hexagonal compacta o una estructura cúbica centrada en las caras (fcc) en condiciones de núcleo interno, dependiendo del contenido de hidrógeno”.
Para llegar a ese punto, el equipo comprimió pequeñas muestras en una celda de yunque de diamante, una herramienta habitual en física de altas presiones. Allí sometió el material a valores de entre 50 y 110 gigapascales, y después lo calentó con láseres a temperaturas superiores a 2000 Kelvin. En paralelo, registró con difracción de rayos X de sincrotrón y en tiempo real cómo respondía la red cristalina.
Ese seguimiento permitió medir variaciones en el volumen del material y detectar señales ligadas al ingreso del hidrógeno en la estructura del hierro. El rasgo decisivo apareció cerca de 1590 Kelvin, donde los investigadores identificaron una anomalía con forma de lambda en el coeficiente de expansión térmica.
Ese tipo de señal suele asociarse a una transición de fase y ya apareció antes en otros materiales superiónicos. A partir de ese dato, el equipo trazó la frontera entre el estado sólido convencional y el estado superiónico del FeHX.
La importancia del resultado no depende solo de la observación puntual en el laboratorio. Los científicos proyectaron esa frontera hacia los rangos de presión esperados en el núcleo interno terrestre y concluyeron que la temperatura de transición quedaría por debajo de las estimaciones para esa región del planeta.
En otras palabras, si esas extrapolaciones son correctas, el hidruro de hierro podría existir en estado superiónico en el núcleo interno de la Tierra.
Ese escenario ofrece una explicación para dos anomalías que desde hace tiempo llaman la atención de los geofísicos. Una de ellas es la baja velocidad de las ondas sísmicas de cizallamiento cuando atraviesan el núcleo interno.
La otra es la anisotropía sísmica, es decir, el hecho de que esas ondas no se propaguen igual en todas las direcciones. Si parte de la materia del núcleo presenta una red sólida de hierro con hidrógeno móvil, la respuesta del material frente a esfuerzos mecánicos puede cambiar de forma significativa.
Los propios investigadores subrayaron esa conexión entre el nuevo hallazgo y las propiedades observadas a escala planetaria. En el trabajo señalaron: “Se cree que el núcleo interno de la Tierra está compuesto por una aleación de hierro y elementos ligeros, como el hidruro de hierro (FeH X ).
La posibilidad de que surja un estado superiónico en el núcleo interno ha cobrado relevancia recientemente como fenómeno fisicoquímico para explicar sus propiedades sismológicas, tales como las bajas velocidades de las ondas de cizallamiento y la anisotropía sísmica”.
La novedad, sin embargo, no terminó en la detección de la transición. El grupo diseñó una segunda serie de experimentos para comprobar si el hidrógeno efectivamente adquiría movilidad dentro del material. Bajo alta presión y alta temperatura, aplicó un voltaje constante sobre las muestras y observó un cambio abrupto en el contenido de hidrógeno al alcanzar la temperatura de transición. Después enfrió con rapidez el sistema y encontró que el hidrógeno se había redistribuido en una dirección específica.
Ese comportamiento constituyó una señal fuerte de transporte iónico dentro del cristal. Los autores lo resumieron así: “Además, nuestros experimentos de calentamiento láser en hidruro de hierro bajo una polarización de voltaje constante revelan una migración abrupta de hidrógeno a la temperatura de transición superiónica”.
Los valores muestran que el hidrógeno se vuelve mucho más móvil durante la transición, el panorama cambia cuando se lo traslada a la escala del núcleo terrestre. Allí, incluso con el empuje de procesos físicos como el campo geomagnético, el desplazamiento resultaría mínimo.
Las cuentas de los investigadores indican que esa migración alcanzaría apenas 0,1 micrómetros en 10.000 años. A esa velocidad, un átomo de hidrógeno tardaría más de cien veces la edad de la Tierra en recorrer una distancia comparable con el radio del núcleo interno, que ronda los 1200 kilómetros. El dato introduce una consecuencia importante para la historia del planeta: si el hidrógeno ingresó al núcleo durante la formación temprana de la Tierra, podría permanecer allí atrapado durante escalas geodinámicas muy largas.
Ese punto también cambia la discusión sobre la evolución química del interior terrestre. Hasta ahora, una parte del debate giraba en torno a si elementos livianos como el hidrógeno podían mantenerse en el núcleo profundo o si, con el tiempo, migraban hacia otras capas. El nuevo trabajo favorece la primera posibilidad.
Según los autores, “estos resultados sugieren que el hidrógeno en estado superiónico podría tener una carga negativa y difundirse más lentamente de lo previsto por los cálculos ab initio. Estos hallazgos indican que, si el hidrógeno se incorporó al núcleo interno durante su formación, podría conservarse durante escalas de tiempo geodinámicas”.
