Un equipo internacional de investigación ha logrado medir por primera vez de forma simultánea la resistencia dinámica del hierro bajo condiciones de presión y temperatura comparables a las del núcleo interno de la Tierra. El estudio, publicado en Nature Communications, combina experimentos realizados en el National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory, en Estados Unidos, con simulaciones computacionales avanzadas para comprender cómo se deforma el hierro en uno de los entornos más extremos del planeta.

La investigación cuenta con participación de la Universidad Politécnica de Madrid a través de Carlos Ruestes, investigador Ramón y Cajal, afiliado al Instituto de Fusión Nuclear “Guillermo Velarde”, ETSI Industriales, UPM y único autor afiliado a una institución española y europea. Su contribución se centró en simulaciones de dinámica molecular, desarrolladas dentro de la componente computacional del estudio.

“Los experimentos permiten alcanzar condiciones extraordinarias, pero para comprender qué ocurre dentro del material es necesario analizar también su respuesta a escala atómica. Las simulaciones de dinámica molecular permiten conectar las observaciones experimentales con los mecanismos microscópicos que controlan la deformación del hierro”, explica Carlos Ruestes, coautor del estudio.

Recrear el interior profundo de la Tierra

El hierro es uno de los principales constituyentes del núcleo de la Tierra y de otros planetas rocosos. Sin embargo, medir sus propiedades mecánicas bajo millones de atmósferas de presión y temperaturas de varios miles de grados representa un enorme desafío experimental.

Para abordar este problema, el equipo utilizó el National Ignition Facility, una instalación láser capaz de generar durante intervalos extremadamente breves condiciones comparables a las del interior profundo de la Tierra. Los pulsos láser comprimieron muestras de hierro hasta alcanzar presiones del orden de tres millones de atmósferas y temperaturas cercanas a 5.000 grados Celsius.

Mediante diagnósticos ultrarrápidos de rayos X y técnicas ópticas, los investigadores siguieron la evolución del material mientras se deformaba. La respuesta experimental se analizó a partir del crecimiento de inestabilidades inducidas en la muestra, lo que permitió inferir la resistencia del hierro bajo estas condiciones extremas.

Del experimento a la escala atómica

La interpretación de los resultados requirió combinar diferentes niveles de simulación. Las simulaciones hidrodinámicas permitieron reconstruir la evolución global del experimento, mientras que las simulaciones de dinámica molecular revelaron cómo respondía el material a escala atómica.

La componente de dinámica molecular contó con la participación de investigadores de la Universidad de Mendoza y de la Universidad Politécnica de Madrid. Estas simulaciones permitieron analizar cómo la orientación cristalina inicial del hierro y las transformaciones estructurales inducidas por la presión modifican su resistencia mecánica.

Uno de los resultados más relevantes fue la identificación de un comportamiento inesperado asociado a la transición de fase del hierro bajo presión. Durante la compresión, los átomos se reorganizan y el material transforma su estructura cristalina. Esta transformación modifica además su microestructura, generando granos de pequeño tamaño que pueden afectar de manera decisiva a su respuesta mecánica.

El equipo observó que el hierro a alta presión presenta resistencias diferentes dependiendo de la orientación cristalina de la fase inicial. En particular, determinadas orientaciones generan una fase de alta presión sistemáticamente más resistente que otras, en contraste con la tendencia conocida a condiciones ambientales.

Grandes simulaciones de dinámica molecular reprodujeron esta misma tendencia y ayudaron a identificar su posible origen: la forma en que distintas orientaciones cristalinas atraviesan la transición de fase y se deforman posteriormente en la estructura de alta presión.

“Este resultado muestra que, incluso bajo presiones de millones de atmósferas, la historia estructural del material sigue siendo importante. La orientación inicial y la transformación de fase condicionan la microestructura resultante y, con ello, la respuesta mecánica del material”, señala Ruestes.

Implicaciones para la geofísica y los materiales extremos

Comprender la resistencia del hierro y su dependencia de la microestructura es relevante para interpretar la dinámica del núcleo interno terrestre. La forma en que el hierro se deforma y fluye bajo condiciones extremas puede influir en la anisotropía sísmica, es decir, en la dependencia de la velocidad de propagación de las ondas sísmicas con la dirección a través del núcleo interno.

Estos fenómenos están relacionados con la estructura y evolución del interior profundo de la Tierra y pueden aportar información sobre la historia dinámica del núcleo y su relación con el campo magnético terrestre.

Los resultados también tienen implicaciones más amplias para el estudio de materiales sometidos a condiciones extremas y para la comprensión del interior de otros planetas rocosos y exoplanetas con núcleos ricos en hierro.

Una colaboración internacional con participación española

El estudio reúne a investigadores de Lawrence Livermore National Laboratory, University of California San Diego, Universidad de Mendoza, SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University y la Universidad Politécnica de Madrid. Así, este proyecto consolida una colaboración científica entre los Estados Unidos, Argentina y España en el estudio de materiales bajo condiciones extremas.

“Este trabajo muestra el valor de integrar grandes instalaciones experimentales con simulación computacional avanzada. También demuestra que desde universidades iberoamericanas podemos realizar contribuciones directas a problemas científicos de frontera que requieren una estrecha conexión entre experimentos, teoría y computación de alto rendimiento”, concluye Ruestes.