El oro se transforma a 12 millones de atmósferas: un hallazgo histórico

Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore lograron medir cómo cambia la estructura atómica del oro a presiones de hasta 12 millones de atmósferas. El hallazgo, presentado en California y publicado en Physical Review Letters, supone la medición más extrema jamás obtenida para este metal. El experimento comprimió el oro a unos 1,2 terapascales, tres veces la presión del núcleo de la Tierra. Los resultados tendrán impacto en la comprensión de interiores planetarios y en investigaciones de fusión nuclear.

Un metal referencia sometido a condiciones imposibles

Un equipo del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ha demostrado que incluso el oro, metal venerado por su estabilidad y utilizado como calibrante estándar en física de alta presión, guarda sorpresas cuando se somete a condiciones extremas. Los investigadores lograron alcanzar 1,2 terapascales, una presión equivalente a más de 12 millones de atmósferas terrestres, estableciendo un nuevo récord para mediciones estructurales en este elemento.

El oro ha sido históricamente un material clave en experimentos que requieren precisión absoluta, pues sus propiedades bajo presión eran consideradas bien conocidas. Sin embargo, durante décadas existieron discrepancias entre predicciones teóricas y observaciones experimentales sobre su comportamiento en regímenes de compresión extremos. Este nuevo estudio, liderado por la científica Amy Coleman, proporciona la evidencia definitiva para resolver este debate.

“Esta es la primera visión concluyente de la estructura cristalina del oro bajo una compresión tan extrema”, señaló Coleman. Las mediciones confirman que la estructura cúbica centrada en las caras (FCC, por sus siglas en inglés), considerada su estado estable, persiste hasta aproximadamente el doble de la presión del núcleo terrestre.

Lo sorprendente llega después: más allá de ese límite, algunos átomos se reorganizan en una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC), mientras una parte del material conserva la disposición original. Es decir, el oro muestra coexistencia de fases, un fenómeno crucial para comprender cómo se comportan materiales sólidos en condiciones similares a las de planetas gigantes o implosiones de cápsulas de fusión.

Para lograr estas mediciones, el equipo utilizó pulsos láser de alta potencia en el National Ignition Facility (NIF) y en el sistema OMEGA EP de la Universidad de Rochester. Los pulsos comprimieron diminutas muestras de oro manteniendo temperaturas relativamente bajas, condición esencial para que el metal permaneciera en estado sólido y permitiera observar sus transiciones estructurales.

La difracción de rayos X se realizó en escalas de una milmillonésima de segundo, capturando instantáneas atómicas que revelan cómo se reorganizan los átomos bajo la violenta compresión. Estas técnicas, consideradas entre las más avanzadas del mundo, permiten observar transformaciones que solo ocurren en condiciones inalcanzables para cualquier otro tipo de experimento material.

Un avance que redefine modelos planetarios y estudios de fusión

La estabilidad del oro bajo presión ha convertido al metal en un calibrante fundamental: si su comportamiento se conoce con precisión, se pueden medir con fiabilidad las presiones extremas alcanzadas en experimentos de física, geociencia y materiales avanzados. Los resultados del LLNL reescriben ese conocimiento y proporcionan un marco más sólido para futuros estudios.

“Saber exactamente cómo se comporta el oro garantiza que todos los demás experimentos que lo utilizan como calibrante estén fundamentados en una comprensión validada”, explicó Coleman. Esto es especialmente relevante para investigaciones que modelan las condiciones del interior de planetas como Júpiter o Saturno, donde las presiones alcanzan millones de atmósferas.

Los hallazgos también son críticos para los avances en fusión nuclear por confinamiento inercial, un campo donde el oro se utiliza en cápsulas y componentes que deben soportar choques extremos generados por láseres de alta energía. Que el oro mantenga su fase cúbica hasta presiones tan elevadas implica que seguirá siendo un material fiable en numerosos diseños experimentales.

Sin embargo, la observación de una transición parcial hacia la estructura BCC aporta nueva información para ajustar los modelos. Esta transición sugiere que, en ciertos regímenes, el oro podría comportarse de manera distinta a lo que asumían las simulaciones computacionales previas. Los investigadores subrayan que será necesario incorporar diagnósticos precisos de temperatura para delimitar con exactitud los límites de fase y descartar efectos térmicos residuales.

El estudio confirma además algo fundamental: incluso materiales considerados estables pueden explorar regiones del diagrama de fases que revelan comportamientos inesperados. Para la ciencia de materiales y la física de alta presión, esta constatación es crucial. Significa que hay margen para descubrimientos profundos en elementos que parecían completamente conocidos.

El equipo considera que este resultado no solo resuelve discrepancias científicas históricas, sino que abre un camino para explorar fases exóticas de otros metales nobles y semiconductores. Las técnicas utilizadas en NIF y OMEGA EP podrían aplicarse a elementos más ligeros, compuestos complejos e incluso sólidos cuánticos.

Cuando el oro deja de ser oro

El descubrimiento de nuevas fases estructurales del oro en condiciones extremas demuestra que incluso los materiales más estables esconden secretos cuando se presionan los límites de la física. Este avance llega en un momento clave para la ciencia planetaria y la investigación en fusión, áreas que dependen de mediciones cada vez más precisas y de modelos que capturen la realidad en condiciones drásticamente diferentes a las de la superficie terrestre.

El oro ha sido, durante generaciones, un símbolo de inmutabilidad. Sin embargo, este estudio muestra que su estructura puede bifurcarse, dividirse y reorganizarse cuando se enfrenta a 12 millones de atmósferas. En cierto sentido, el hallazgo también redefine cómo pensamos sobre los materiales: no como entidades estáticas, sino como sistemas dinámicos cuyo comportamiento solo revela su complejidad cuando se exploran los extremos.

Para la física contemporánea, el mensaje es claro: los límites experimentales aún están lejos de agotarse, y cada avance tecnológico abre una nueva ventana hacia un mundo que apenas empezamos a comprender.