El centro de la Tierra lleva décadas enviando señales desconcertantes. No se puede observar directamente, pero cada terremoto actúa como una especie de escáner natural que revela cómo se comportan los materiales a miles de kilómetros de profundidad. Esas señales llevan tiempo mostrando algo extraño: el núcleo interno del planeta transmite las ondas sísmicas de una forma que no encaja del todo con la idea clásica de un sólido rígido de hierro.
Los datos apuntan a un material que es sólido, pero sorprendentemente blando, capaz de ralentizar las ondas de corte y de mostrar una elasticidad poco común para un metal sometido a presiones extremas. Un nuevo estudio experimental publicado en National Science Review aporta ahora una explicación sólida a ese comportamiento anómalo. Según sus resultados, el núcleo interno podría albergar un estado superiónico de la materia, en el que algunos átomos se comportan como en un líquido mientras otros permanecen ordenados como en un sólido.
El problema sísmico que nadie lograba encajar
Las propiedades sísmicas del núcleo interno llevan años siendo un rompecabezas. Las ondas de corte, que solo pueden propagarse en sólidos, viajan allí a velocidades inesperadamente bajas. Además, la llamada relación de Poisson, un parámetro que describe cómo se deforma un material al ser comprimido, alcanza valores extremadamente altos, comparables a los de materiales muy blandos.
Estas observaciones chocan con los modelos tradicionales basados en hierro puro. Incluso teniendo en cuenta la enorme temperatura del núcleo interno, los cálculos teóricos y los experimentos previos no conseguían reproducir una combinación tan extrema de rigidez estructural y suavidad mecánica. El resultado era una paradoja persistente en geofísica: un núcleo interno sólido que se comporta casi como si no lo fuera.
Durante años se barajaron hipótesis que incluían fases cristalinas exóticas del hierro o la presencia de elementos ligeros como silicio, oxígeno, hidrógeno o carbono. Sin embargo, faltaba una prueba experimental directa que conectara esas ideas con los valores sísmicos reales observados en el interior del planeta.
Carbono en el hierro: una pieza clave olvidada
El nuevo estudio pone el foco en el carbono, un elemento abundante en los materiales primitivos del sistema solar y con una fuerte afinidad química por el hierro. El núcleo terrestre no es hierro puro: presenta un déficit de densidad que solo se explica si contiene una cierta proporción de elementos más ligeros.
Los autores trabajaron con una aleación bien definida, hierro con un 1,5 % en peso de carbono, una concentración compatible con los límites estimados para el núcleo interno. Esta elección no es casual. A diferencia del hidrógeno o el oxígeno, el carbono puede incorporarse de forma relativamente estable en la estructura cristalina del hierro, lo que permite fabricar muestras homogéneas y estudiarlas en laboratorio.
El objetivo era claro: comprobar si el carbono, cuando se encuentra en posiciones intersticiales dentro de la red de hierro y bajo condiciones extremas de presión y temperatura, puede inducir un comportamiento radicalmente distinto al de un sólido convencional.
Un experimento extremo para imitar el centro del planeta
Para recrear las condiciones del núcleo interno, los investigadores utilizaron experimentos de compresión por choque dinámico. En ellos, pequeños proyectiles de la aleación de hierro y carbono se aceleran a velocidades superiores a los 7 kilómetros por segundo y se hacen impactar contra un blanco, generando presiones de hasta 140 gigapascales y temperaturas cercanas a los 2.600 kelvin.
Estas condiciones no duran más que microsegundos, pero son suficientes para medir con gran precisión cómo se propagan las ondas acústicas en el material. Gracias a técnicas como la velocimetría Doppler, los autores pudieron determinar la velocidad de las ondas longitudinales y de corte, así como calcular la relación de Poisson.
Los resultados mostraron un comportamiento claramente anómalo. Por encima de un determinado umbral de presión y temperatura, la velocidad de las ondas de corte cayó de forma brusca, mientras que la relación de Poisson aumentó hasta valores muy próximos a los inferidos para el núcleo interno terrestre. Ese cambio no era gradual, sino indicativo de una transición de fase.
La confirmación experimental del estado superiónico
El análisis combinado de los datos experimentales y de simulaciones de dinámica molecular permitió identificar la causa de esa transición. A temperaturas suficientemente altas, pero aún por debajo del punto de fusión, el sistema entra en un estado superiónico.
En palabras del propio artículo científico, “nuestros resultados sugieren que el núcleo interno puede presentar una suavidad similar a la de un líquido que surge tanto de la difusión superiónica de los elementos ligeros como del movimiento colectivo de los átomos de hierro”. Esta frase resume el núcleo del hallazgo: el material no está fundido, pero tampoco es un sólido rígido convencional.
En este estado, los átomos de hierro permanecen ordenados en una red cristalina estable, mientras que los átomos de carbono se vuelven altamente móviles, desplazándose entre los huecos de esa red. Esa movilidad interna es suficiente para reducir drásticamente la resistencia al esfuerzo cortante, sin destruir la estructura sólida global.
Qué significa realmente que algo sea superiónico
El concepto de superionicidad puede resultar abstracto fuera del ámbito de la física del estado sólido. En términos simples, se trata de un estado híbrido en el que distintos tipos de átomos dentro del mismo material se comportan de forma muy diferente.
En el caso del hierro con carbono, el hierro actúa como un esqueleto sólido, mientras que el carbono se mueve con una libertad comparable a la de un líquido. Las simulaciones muestran que el coeficiente de difusión del carbono se vuelve claramente distinto de cero, mientras que el del hierro sigue siendo prácticamente nulo.
Este comportamiento explica de forma directa las propiedades sísmicas observadas. Las ondas de corte son especialmente sensibles a la resistencia del material frente a deformaciones laterales, y la movilidad interna de los átomos ligeros debilita esa resistencia sin necesidad de que el material esté fundido.
Un encaje perfecto con los datos sísmicos reales
Uno de los aspectos más llamativos del estudio es la coincidencia cuantitativa entre los valores medidos en el laboratorio y los inferidos a partir de observaciones sísmicas reales. A las condiciones experimentales alcanzadas, la velocidad de las ondas de corte y la relación de Poisson se solapan con los rangos estimados para el núcleo interno.
El artículo señala que “la transición superiónica se acompaña de una reducción significativa de la velocidad de las ondas de corte y de un aumento de la relación de Poisson hasta valores comparables a los del núcleo interno”. Este ajuste fino refuerza la idea de que no se trata de una curiosidad de laboratorio, sino de un proceso relevante a escala planetaria.
Además, el estudio muestra que esta transición puede producirse con concentraciones relativamente bajas de carbono, lo que la hace compatible con los límites geoquímicos conocidos. No es necesario imaginar un núcleo saturado de elementos ligeros para explicar su comportamiento.
Implicaciones para la dinámica del núcleo y el campo magnético
Las consecuencias del hallazgo van más allá de la sismología. Un núcleo interno con movilidad atómica internapodría participar de forma activa en procesos dinámicos que hasta ahora se atribuían casi en exclusiva al núcleo externo líquido.
La difusión de elementos ligeros dentro de una estructura sólida puede contribuir a formas de convección química, alterar el transporte de calor y modificar las condiciones que sostienen el geodinamo, el mecanismo responsable del campo magnético terrestre. El propio artículo subraya que este estado “reconcilia discrepancias geofísicas y sismológicas de larga data”.
Este nuevo marco obliga a replantear la imagen del núcleo interno como una esfera estática y pasiva. En su lugar, emerge la idea de un sólido dinámico, con procesos internos activos que influyen en la evolución térmica y magnética del planeta.
Una nueva forma de mirar el corazón de la Tierra
El descubrimiento del estado superiónico en una aleación de hierro y carbono no resuelve todas las incógnitas sobre el núcleo terrestre, pero sí ofrece una pieza clave que faltaba. Demuestra que la frontera entre sólido y líquido puede ser mucho más difusa de lo que sugieren las clasificaciones clásicas.
Además, abre la puerta a investigar comportamientos similares en otras aleaciones y en otros planetas rocosos. Si estados superiónicos son posibles en el interior de la Tierra, podrían ser comunes en cuerpos planetarios sometidos a presiones y temperaturas extremas.
El núcleo terrestre deja de ser un simple bloque de metal comprimido y pasa a entenderse como un sistema complejo, donde la física del estado sólido y la dinámica planetaria se entrelazan de formas inesperadas.
Referencias
- Huang, Y., He, Y., Zhang, Y. et al. Experimental evidence for superionic Fe–C alloy revealed by shear softening in Earth’s inner core. National Science Review, 12, nwaf419 (2025). DOI: https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf419.
Cortesía de Muy Interesante
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