Investigadores de la Universidad de California, Davis y la Universidad George Washington han tomado medidas significativas para comprender el proceso de cristalización del carbono fundido, un tema que ha estado intrigado durante años. Su estudio reciente, publicado en Comunicación de la naturalezaUtiliza simulaciones de computadora avanzadas para investigar cómo el carbono puede cristalizar en grafito o diamante en circunstancias que simulan el interior de la tierra.
La investigación se ocupa de una pregunta crucial: ¿por qué el carbono derretido se cristaliza a veces en el grafito, la forma suave conocida utilizada en los lápices, cuando se espera el diamante, una estructura más estable? Esta investigación no solo es crucial para las ciencias geológicas, sino también para las aplicaciones en la producción de materiales y la investigación de fusiones nucleares. Tradicionalmente, estudiar el proceso de cristalización rápida ha sido un desafío debido a las circunstancias extremas.
Con la ayuda de simulaciones moleculares avanzadas impulsadas por el aprendizaje automático, el equipo descubrió que el comportamiento del carbono líquido durante la cristalización es mucho más complicado de lo que se creía anteriormente. En particular, determinaron que el grafito puede formarse espontáneamente, incluso en circunstancias en las que se estable termodinámicamente estable, lo que hace que el camino hacia la formación de diamantes sea efectivo «secuestro».
Los investigadores han preparado innumerables modelos que simulan las condiciones que ocurren en el interior de la Tierra, las impresiones de prueba que van de 5 a 30 gigapascales y temperaturas entre 5,000 y 3,500 Kelvin. Inicialmente, anticipando carbono vidrioso que proveniría del proceso de enfriamiento rápido, se sorprendieron al observar la cristalización espontánea. Sus hallazgos indicaron que el carbono líquido en el diamante se cristalizaría en impresiones altas, mientras que a presiones más bajas se cambiaría preferiblemente en grafito.
Este evento inesperado está en línea con la regla del paso de Ostwald, lo que sugiere que la cristalización a veces puede pasar por fases intermedias en lugar de ir directamente al más estable. El estudio mostró que el grafito sirve como un paso en la formación de diamantes debido a las similitudes en su densidad estructural y patrones de unión con carbono líquido. El coautor Tianshu Li enfatizó que el carbono líquido encuentra más fácil cambiar primero al grafito, a pesar de que el diamante es la forma más estable en circunstancias dadas.
Los resultados del equipo también revelaron varias estructuras moleculares durante los procesos de cristalización. Grafito formado en patrones alargados de columna, mientras que el diamante se cristalizó en formas más compactas. Esta aclaración del comportamiento de cristalización trata con discrepancias a largo plazo en experimentos de carbono con una alta presión y ofrece un nuevo marco interpretativo para resultados inconsistentes anteriores.
Las implicaciones de este estudio se extienden más allá del concepto teórico. Las ideas obtenidas pueden explicar la rareza de la formación de diamantes naturales y arrojar luz sobre las influencias del ciclo de carbono profundo en el clima y la geología de la Tierra durante las escalas de tiempo geológicas. Además, estos hallazgos pueden mejorar la síntesis de diamantes industriales, en particular para aplicaciones especializadas como la computación kwantum, por lo que el control preciso sobre las estructuras cristalinas es crucial.
Como señaló Donadio, la cristalización es un proceso fundamental con una enorme relevancia tecnológica, y esta investigación enfatiza la presencia inesperada de grafito donde generalmente no se esperaría. Este extenso estudio no solo disputa suposiciones tradicionales con respecto al comportamiento de carbono, sino que también abre nuevas formas de exploración futura en el campo.
