Kamacita

Kamacite es una aleación de hierro y níquel, que se encuentra en la Tierra solo en meteoritos. Según la Asociación Mineralógica Internacional (IMA), se considera una variedad propiamente rica en níquel del mineral hierro nativo. La proporción hierro:níquel está entre 90%:10% y 95%:5%; también pueden estar presentes pequeñas cantidades de otros elementos, como cobalto o carbono. El mineral tiene un brillo metálico, es de color gris y no tiene un clivaje claro aunque su estructura cristalina es isométrica-hexoctaédrica. Su densidad es de unos 8 g/cm³ y su dureza es de 4 en la escala de Mohs. A veces también se le llama balkeneisen.

El nombre fue acuñado en 1861 y se deriva de la raíz griega καμακ- "kamak" o κάμαξ "kamaks", que significa poste de vid. Es un componente importante de los meteoritos de hierro (tipos octaedrita y hexaedrita). En las octaedritas se encuentra en bandas entrelazadas con taenita formando patrones de Widmanstätten. En las hexaedritas, a menudo se ven líneas paralelas finas llamadas líneas de Neumann, que son evidencia de la deformación estructural de las placas de kamacita adyacentes debido al impacto de los impactos.

A veces, la kamacita se puede encontrar tan estrechamente entremezclada con la taenita que es difícil distinguirlas visualmente, formando plesita. El cristal de kamacita documentado más grande medía 92 × 54 × 23 cm (36,2 × 21,3 × 9,1 in).

Propiedades físicas

La kamacita tiene muchas propiedades físicas únicas, incluidas las estructuras de Thomson y una densidad extremadamente alta.

Identificación

La kamacita es opaca y, por lo general, su superficie muestra varios tonos de rayas grises o "acolchados" patrones. Kamacite tiene un brillo metálico. Kamacite puede variar en dureza en función de la magnitud del impacto que haya sufrido, pero normalmente se clasifica en un cuatro en la escala de dureza de Mohs. El impacto aumenta la dureza de la kamacita, pero esto no es 100 % confiable para determinar los antecedentes de impacto, ya que existen muchas otras razones por las que la dureza de la kamacita podría aumentar.

La kamacita tiene una densidad medida de 7,9 g/cm3. Tiene un hábito cristalino masivo, pero normalmente los cristales individuales son indistinguibles en los fenómenos naturales. No hay planos de clivaje presentes en la kamacita que le den una fractura cortante. Kamacite es magnético e isométrico, lo que hace que se comporte ópticamente isométricamente.

La kamacita se presenta con taenita y un área mixta de kamacita y taenita denominada plesita.

La taenita contiene más níquel (del 12 al 45 % en peso de Ni) que la kamacita (que tiene del 5 al 12 % en peso de Ni). El aumento en el contenido de níquel hace que la taenita tenga una celda unitaria centrada en la cara, mientras que el mayor contenido de hierro de la kamacita hace que su celda unitaria esté centrada en el cuerpo. Esta diferencia se debe a que el níquel y el hierro tienen un tamaño similar pero diferentes interacciones magnéticas y cuánticas interatómicas.

Fase tetragonal

Hay evidencia de una fase tetragonal, observada en pruebas de polvo de rayos X y luego bajo un microscopio. Cuando se probaron, dos meteoritos dieron valores d que podrían "indexarse sobre la base de una celda unitaria tetragonal, pero no sobre la base de una celda unitaria cúbica o hexagonal". Se ha especulado que es e-iron, un polimorfo hexagonal de hierro.

Estructuras Thomson

Las estructuras de Thomson, generalmente denominadas patrones de Widmanstätten, son texturas que se ven a menudo en meteoritos que contienen kamacita. Se trata de bandas que suelen alternar entre kamacita y taenita. En 1804, William Thomson se topó con estas estructuras cuando notó patrones geométricos inesperados después de limpiar una muestra con ácido nítrico (HNO
₃). Publicó sus observaciones en una revista francesa, pero debido a las guerras napoleónicas, los científicos ingleses, que estaban haciendo gran parte de la investigación de meteoritos de la época, nunca descubrieron su trabajo. No fue hasta 1808, cuatro años más tarde, que el conde Alois von Beck Widmanstätten descubrió los mismos patrones de grabado mientras calentaba meteoritos de hierro cuando notó patrones geométricos causados por las diferentes tasas de oxidación de kamacita y taenita. Widmanstätten les contó a muchos de sus colegas sobre estos patrones en la correspondencia, lo que llevó a que en la mayoría de la literatura se los denomine patrones de Widmanstätten.

Las estructuras de Thomson o los patrones de Widmanstätten se crean a medida que el meteorito se enfría; a altas temperaturas, tanto el hierro como el níquel tienen redes centradas en las caras. Cuando se forma el meteorito, comienza como taenita completamente fundida (más de 1500 °C) y, a medida que se enfría más allá de los 723 °C, la fase primaria metaestable de la aleación cambia a taenita y la kamacita comienza a precipitarse. Es en esta ventana donde el meteorito se enfría por debajo de los 723 °C donde se forman las estructuras de Thomson y pueden verse muy afectadas por la temperatura, la presión y la composición del meteorito.

Propiedades ópticas

La kamacita es opaca y solo se puede observar en microscopía de luz reflejada. Es isométrica y por lo tanto se comporta isotrópicamente.

Magnetismo

A medida que el meteorito se enfría por debajo de los 750 °C, el hierro se vuelve magnético al pasar a la fase de kamacita. Durante este enfriamiento, el meteorito adquiere una magnetización termoremanente no convencional. La magnetización termorremanente en la Tierra otorga a los minerales de hierro formados en la corteza terrestre, una magnetización mayor que si se formaran en el mismo campo a temperatura ambiente. Esta es una magnetización termoremanente no convencional porque parece deberse a un proceso químico remanente que se induce cuando la taenita se enfría a kamacita. Lo que hace que esto sea especialmente interesante es que se ha demostrado que explica todo el campo magnético de las condritas ordinarias, que se ha demostrado que es tan fuerte como 0,4 oersted (símbolo Oe).

Cristalografía

La kamacita es un mineral isométrico con una celda unitaria centrada en el cuerpo cúbico. Kamacite generalmente no se encuentra en cristales grandes; sin embargo, el cristal de kamacita anómalamente más grande encontrado y documentado medía 92 × 54 × 23 centímetros. Incluso si los cristales grandes son tan raros, es extremadamente importante entender que la cristalografía juega un papel importante en la formación de estructuras de Thomson.

Simetría

La kamacita forma cristales hexoctaédricos isométricos, lo que hace que los cristales tengan muchos elementos de simetría. La kamacita pertenece a la clase 4/m32/m en la notación de Hermann-Mauguin, lo que significa que tiene tres ejes cuádruples, cuatro ejes triples y seis ejes dobles y nueve planos de espejo. Kamacite tiene un grupo espacial de Fm3m.

Célula unitaria

La kamacita se compone de una unidad repetitiva de α-(Fe, Ni), Fe
_0.9Ni
_0.1, que constituye las dimensiones de la celda de a = 8,603 Å, Z = 54 Å; V = 636,72 Å3. Las interacciones magnéticas y cuánticas interatómicas de los átomos de hierro cerovalente (Fe⁰ metálico) que interactúan entre sí hacen que la kamacita tenga una red centrada en el cuerpo.

Química

Fórmula y elementos dominantes

La kamacita se compone de una unidad repetitiva de α-(Fe, Ni), Fe
_0.9Ni
_0.1, en el que tanto el hierro como el níquel tienen la valencia cero (Fe⁰ y Ni⁰) ya que son elementos nativos metálicos que se encuentran comúnmente en meteoritos de hierro Además de los oligoelementos, normalmente se considera que está compuesto por un 90 % de hierro y un 10 % de níquel, pero puede tener una proporción de un 95 % de hierro y un 5 % de níquel. Esto hace que el hierro sea el elemento dominante en cualquier muestra de kamacita. Se agrupa con los elementos nativos en los sistemas de clasificación de Dana y Nickel-Strunz.

Condiciones de formación

La kamacita comienza a formarse alrededor de los 723 °C, donde el hierro se divide de estar centrado en la cara al centrado en el cuerpo, mientras que el níquel permanece centrado en la cara. Para acomodar estas áreas, comienza a formarse una mayor concentración de hierro, desplazando el níquel a las áreas a su alrededor, lo que crea taenita, que es el miembro final de níquel.

Otroelementos

Se ha investigado mucho sobre los oligoelementos de la kamacita. Los oligoelementos más notables en la kamacita son galio, germanio, cobalto, cobre y cromo. El cobalto es el más notable de estos, donde el contenido de níquel varía de 5,26% a 6,81% y el contenido de cobalto puede ser de 0,25% a 0,77%. Todos estos elementos traza son metálicos y su aparición cerca del borde de kamacita y taenita puede brindar pistas importantes sobre el entorno en el que se formó el meteorito. La espectrometría de masas ha revelado que la kamacita contiene cantidades considerables de platino con un promedio de 16,31 (μg/g), iridio en un promedio de 5,40 (μg/g), osmio en un promedio de 3,89 (μg/g), tungsteno en un promedio de 1,97 (μg/g), oro en un promedio de 0,75 (μg/ g), y el renio en un promedio de 0,22 (μg/g). Las cantidades considerables de cobalto y platino son las más notables.

Elementos menores importantes, sustituciones, soluciones sólidas

La sulfuración de kamacita se ha realizado de forma experimental en condiciones de laboratorio. La sulfuración resultó en tres fases distintas: una solución sólida de monosulfuro (Fe
_x(Ni,Co)
_1-xS), una fase de pentlandita (Fe
_x(Ni,Co)
_9-xS
₈), así como una fase rica en P. Esto se hizo en un laboratorio para construir condiciones concurrentes con las de la nebulosa solar. Con esta información sería posible extraer información sobre las condiciones termodinámicas, cinéticas y físicas del sistema solar primitivo. Esto sigue siendo especulativo ya que muchos de los sulfuros de los meteoritos son inestables y han sido destruidos. La kamacita también se altera a tochilinita (Fe²⁺
· 5-6 (Mg, Fe²⁺
)
₅S
₆(OH)
₁₀). Esto es útil para dar pistas sobre cuánto se ha alterado el meteorito en su conjunto. La alteración de kamacita a tochilinita se puede ver en microscopios petrológicos, microscopio electrónico de barrido y análisis de microsonda electrónica. Esto se puede usar para permitir que los investigadores indexen fácilmente la cantidad de alteración que ha tenido lugar en la muestra. Este índice puede ser referenciado más tarde al analizar otras áreas del meteorito donde la alteración no es tan clara.

Relación con la taenita

La taenita es el miembro final rico en níquel de la solución sólida de kamacita-taenita. La taenita se encuentra naturalmente en la Tierra, mientras que la kamacita solo se encuentra en la Tierra cuando proviene del espacio. La kamacita forma taenita a medida que forma y expulsa níquel al área circundante, esta área forma taenita. Debido a la naturaleza centrada en las caras de la red de kamacita y la naturaleza centrada en el cuerpo de la red de níquel, las dos forman ángulos intrincados cuando entran en contacto entre sí. Estos ángulos se revelan macroscópicamente en la estructura de Thomson. También debido a esta relación obtenemos los términos ataxita, hexaedrita y octaedrita. La ataxita se refiere a los meteoritos que no muestran una estructura macroscópicamente hexaédrica u octaédrica. Los meteoritos compuestos de 6% en peso o menos de níquel a menudo se denominan hexaedritas debido a que la estructura cristalina de la kamacita es isométrica y hace que el meteorito sea cúbico. Del mismo modo, si el meteorito está dominado por la taenita centrada en la cara, se denomina octaedrita, ya que la kamacita se disolverá de los límites del cristal octaédrico de la taenita, lo que hará que el meteorito parezca octaédrico. Tanto las hexaedritas como las octaedritas solo aparecen cuando el meteorito se rompe a lo largo de los planos cristalinos o cuando está preparado para acentuar las estructuras de Thomson, por lo que muchas se denominan erróneamente ataxitas ar primero.

Explicación química del calor

Se han analizado elementos traza en la formación de kamacita a diferentes temperaturas, pero los elementos traza en la taenita parecen más adecuados para dar pistas sobre la temperatura de formación del meteorito. A medida que el meteorito se enfría y la taenita y la kamacita se separan entre sí, algunos de los elementos traza preferirán ubicarse en la taenita o la kamacita. El análisis del límite de kamacita de taenita puede dar pistas sobre la rapidez con la que se produjo el enfriamiento, así como una miríada de otras condiciones durante la formación por la ubicación final de los elementos traza.

Rango de estabilidad

La kamacita solo es estable a temperaturas inferiores a 723 °C o 600 °C (Stacey y Banerjee, 2012), ya que ahí es donde el hierro se enfría lo suficiente como para formar una estructura cristalina centrada en el cuerpo. Kamacite también es estable solo a bajas presiones, como se puede suponer, porque solo se forma en el espacio.

Efecto del choque

La difracción metalográfica y de rayos X se puede utilizar en kamacita para determinar el historial de choque de un meteorito. Se ha experimentado con el uso de la dureza para determinar las historias de choque, pero se encontró que era demasiado poco confiable. Se aplicó la prueba de dureza Vickers a varias muestras de kamacita y se encontró que los meteoritos impactados tenían valores de 160-170 kg/mm y los meteoritos no impactados pueden tener valores tan altos como 244 kg/mm. El choque provoca una estructura de transformación de hierro única que se puede medir mediante técnicas metalográficas y de difracción de rayos X. Después de usar técnicas metalográficas y de difracción de rayos X para determinar el historial de choque, se encontró que el 49% de los meteoritos encontrados en la Tierra contienen evidencia de choque.

Ocurrencias geológicas

Se han encontrado meteoritos de kamacita en todos los continentes de la Tierra y también en Marte.

Meteoritos

La kamacita se asocia principalmente con los meteoritos porque necesita altas temperaturas, bajas presiones y algunos otros elementos más reactivos como el oxígeno. Los meteoritos de condrita se pueden dividir en grupos según los cóndrulos presentes. Hay tres tipos principales: condritas enstatitas, condritas carbonáceas y condritas ordinarias. Las condritas ordinarias son el tipo de meteorito más abundante que se encuentra en la Tierra y representan el 85% de todos los meteoritos registrados. Se cree que las condritas ordinarias se originaron todas a partir de tres fuentes diferentes, por lo que vienen en tres tipos LL, L y H; LL significa bajo contenido de hierro, bajo contenido de metal, L significa baja abundancia de hierro y H es alto contenido de hierro. Todas las condritas ordinarias contienen kamacita en abundancia decreciente a medida que se pasa de las condritas H a las LL. La kamacita también se encuentra en muchos de los meteoritos menos comunes, mesosideritas y condritas E. Las condritas E son condritas que están hechas principalmente de enstatita y solo representan el 2% de los meteoritos que caen sobre la Tierra. Las condritas E tienen una roca madre completamente diferente a la de las condritas ordinarias. En el análisis de kamacita en condritas E se encontró que contienen generalmente menos níquel que el promedio.

Abundancia

Dado que la kamacita solo se forma en el espacio y solo se encuentra en la Tierra en meteoritos, tiene una abundancia muy baja en la Tierra. Su abundancia fuera de nuestro sistema solar es difícil de determinar. El hierro, el principal componente de la kamacita, es el sexto elemento más abundante del universo y el más abundante de los elementos generalmente considerados metálicos.

Minerales asociados

La taenita y la tochilinita son minerales comúnmente asociados con la kamacita.

Ejemplos específicos

Cráter de meteorito Arizona

La kamacita se ha encontrado y estudiado en Meteor Crater, Arizona. Meteor Crater fue el primer sitio de impacto de meteorito confirmado en el planeta, y no fue universalmente reconocido como tal hasta la década de 1950. En la década de 1960, el Servicio Geológico de los Estados Unidos descubrió kamacita en especímenes recolectados alrededor del sitio que vinculan el mineral a los meteoritos.

Planetas

La kamacita se forma principalmente en meteoritos, pero se ha encontrado en cuerpos extraterrestres como Marte. Esto fue descubierto por The Mars Exploration Rover (MER) Opportunity. La kamacita no se originó en Marte sino que fue puesta allí por un meteorito. Esto fue particularmente interesante porque el meteorito cayó dentro de la clase menos conocida de mesosideritas. Las mesosideritas son muy raras en la Tierra y su aparición en Marte da pistas sobre el origen de su roca madre más grande.

Usos

El principal uso de investigación de la kamacita es arrojar luz sobre la historia de un meteorito. Ya sea mirando la historia de choque en las estructuras de hierro o las condiciones durante la formación del meteorito utilizando el límite kamacita-taenita, comprender la kamacita es clave para comprender nuestro universo.

Museos, universidad y preparación de especímenes fotográficos

Debido a la rareza y la apariencia generalmente opaca de la kamacita, no es popular entre los coleccionistas privados. Sin embargo, muchos museos y universidades tienen muestras de kamacite en su colección. Normalmente, las muestras de kamacita se preparan con pulimento y ácido para mostrar las estructuras de Thomson. La preparación de muestras implica lavarlas en un solvente, como lo hizo Thomson con ácido nítrico para resaltar las estructuras de Thomson. Luego se pulen mucho para que se vean brillantes. En general, la kamacita se puede distinguir fácilmente de la taenita, ya que después de este proceso, la kamacita se ve ligeramente más oscura que la taenita.

Mirando hacia el futuro

La kamacita y la taenita tienen el potencial de ser económicamente valiosas. Una opción que haría más rentable la minería de asteroides sería recolectar los elementos traza. Una dificultad sería refinar elementos como el platino y el oro. El platino tiene un valor aproximado de 12 000 US$/kg y (la kamacita contiene 16,11 μg/g de platino) y el oro tiene un valor aproximado de 12 000 US$/kg (la kamacita contiene 0,52 μg/g de oro); sin embargo, la probabilidad de un rendimiento rentable es bastante escasa. La minería de asteroides para usos espaciales podría ser más práctica, ya que transportar materiales desde la Tierra es costoso. De manera similar a los planes actuales de reutilización de los módulos de la Estación Espacial Internacional en otras misiones, un meteorito de hierro podría usarse para construir naves espaciales en el espacio. La NASA ha presentado planes preliminares para construir una nave espacial en el espacio.