La kamacita 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 rica en níquel del mineral hierro nativo . [3] [4] 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 gris y no tiene una clivaje claro aunque su estructura cristalina es isométrica-hexoctaédrica. Su densidad es de unos 8 g/cm 3 y su dureza es de 4 en la escala de Mohs . También se le llama a veces balkeneisen.
El nombre fue acuñado en 1861 y se deriva de la raíz griega καμακ- "kamak" o κάμαξ "kamaks", que significa poste de vid. [5] Es un componente principal de los meteoritos de hierro ( tipos octahedrita y hexahedrita ). En las octahedritas se encuentra en bandas entrelazadas con taenita formando patrones de Widmanstätten . En las hexahedritas , 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 choque de los impactos.
A veces, la kamacita se encuentra tan estrechamente mezclada con la taenita que es difícil distinguirlas visualmente, formando plesita . El cristal de kamacita más grande documentado mide 92 × 54 × 23 cm (36,2 × 21,3 × 9,1 pulgadas). [6]
La kamacita tiene muchas propiedades físicas únicas, incluidas estructuras de Thomson y una densidad extremadamente alta.
La kamacita es opaca y su superficie generalmente muestra diferentes tonos de vetas grises o patrones de "acolchado". La kamacita tiene un brillo metálico. La kamacita puede variar en dureza según el grado de impacto que haya sufrido, pero comúnmente se clasifica con 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 otras innumerables razones por las que la dureza de la kamacita podría aumentar. [7]
La kamacita tiene una densidad medida de7,9 g/cm3 . Tiene un hábito cristalino masivo, pero normalmente los cristales individuales son indistinguibles en las ocurrencias naturales. No hay planos de clivaje presentes en la kamacita, lo que le da una fractura irregular. La kamacita es magnética e isométrica, lo que hace que se comporte ópticamente de manera isométrica.
La kamacita se presenta con taenita y una zona mixta de kamacita y taenita conocida como plessita . [8]
La taenita contiene más níquel (entre el 12 y el 45 % en peso de Ni) que la kamacita (que tiene entre el 5 y el 12 % en peso de Ni). El aumento del 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. [9]
Hay evidencia de una fase tetragonal, observada en pruebas de polvo de rayos X y posteriormente bajo un microscopio. Cuando se analizaron dos meteoritos, se obtuvieron valores d que podían "indexarse sobre la base de una celda unitaria tetragonal, pero no sobre la base de una celda unitaria cúbica o hexagonal". [9] Se ha especulado que se trata de e-hierro, un polimorfo hexagonal del hierro.
Las estructuras de Thomson , generalmente denominadas patrones de Widmanstätten , son texturas que se observan 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 realizando gran parte de la investigación sobre meteoritos en ese momento, nunca descubrieron su trabajo. No fue hasta 1808, cuatro años después, que los mismos patrones de grabado fueron descubiertos por el conde Alois von Beck Widmanstätten, quien estaba calentando meteoritos de hierro cuando notó patrones geométricos causados por las diferentes tasas de oxidación de la kamacita y la taenita. [10] Widmanstätten les contó a muchos de sus colegas sobre estos patrones en la correspondencia, lo que llevó a que se los mencionara como patrones de Widmanstätten en la mayor parte de la literatura.
Las estructuras de Thomson o 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 metaestable primaria de la aleación cambia a taenita y la kamacita comienza a precipitarse. Es en esta ventana, cuando 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. [8]
La kamacita es opaca y sólo se puede observar con microscopio de luz reflejada. Es isométrica y, por lo tanto, se comporta de forma isotrópica .
A medida que el meteorito se enfría por debajo de los 750 °C, el hierro se vuelve magnético a medida que pasa a la fase de kamacita. Durante este enfriamiento, el meteorito adquiere una magnetización termorremanente no convencional. La magnetización termorremanente en la Tierra proporciona a los minerales de hierro formados en la corteza terrestre una magnetización mayor que si se hubieran formado en el mismo campo a temperatura ambiente. Se trata de una magnetización termorremanente no convencional porque parece deberse a un proceso químico remanente que se induce a medida que 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 ordinario de las condritas, que se ha demostrado que es tan fuerte como 0,4 oersted (símbolo Oe). [11]
La kamacita es un mineral isométrico con una celda unitaria centrada en el cuerpo cúbico. La kamacita no suele encontrarse en cristales grandes; sin embargo, el cristal de kamacita más grande encontrado y documentado medía 92×54×23 centímetros. [12] Aunque los cristales grandes son tan raros, es extremadamente importante comprender que la cristalografía juega un papel importante en la formación de las estructuras de Thomson.
La kamacita forma cristales isométricos hexoctaédricos, lo que hace que los cristales tengan muchos elementos de simetría. La kamacita pertenece a la clase 4/m 3 2/m en la notación de Hermann-Mauguin, lo que significa que tiene tres ejes cuádruples, cuatro ejes triples, seis ejes dobles y nueve planos especulares. La kamacita tiene un grupo espacial de Fm 3 m.
La kamacita se compone de una unidad repetida de α-(Fe, Ni), Fe
0.9Ni
0,1, lo que constituye unas dimensiones celulares de a = 8,603 Å , Z = 54 Å ; V = 636,72 Å 3 . Las interacciones magnéticas y cuánticas interatómicas de los átomos de hierro de valencia cero (Fe 0 metálico ) que interactúan entre sí hacen que la kamacita tenga una red centrada en el cuerpo.
La kamacita se compone de una unidad repetida de α-(Fe, Ni), Fe
0.9Ni
0,1, en el que tanto el hierro como el níquel tienen valencia cero (Fe 0 y Ni 0 ) ya que son elementos nativos metálicos que se encuentran comúnmente en meteoritos de hierro. Además de los elementos traza, normalmente se considera que está compuesto por un 90% de hierro y un 10% de níquel, pero puede tener una proporción de 95% de hierro y 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. [9]
La kamacita comienza a formarse alrededor de los 723 °C, donde el hierro se divide y pasa de estar centrado en la cara a estar centrado en el cuerpo, mientras que el níquel permanece centrado en la cara. Para adaptarse a esto, comienzan a formarse áreas con una mayor concentración de hierro que desplazan al níquel a las áreas que lo rodean, lo que crea taenita, que es el miembro final del níquel.
Se han realizado muchas investigaciones sobre los oligoelementos de la kamacita. Los oligoelementos más notables de la kamacita son el galio , el germanio , el cobalto , el cobre y el cromo . El cobalto es el más notable de ellos, con un contenido de níquel que varía entre el 5,26 % y el 6,81 % y el contenido de cobalto puede ser del 0,25 % al 0,77 %. [13] Todos estos elementos traza son metálicos y su aparición cerca del borde de la taenita de la kamacita puede dar 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 , con un promedio de 5,40 (μg/g), osmio , con un promedio de 3,89 (μg/g), tungsteno , con un promedio de 1,97 (μg/g), oro , con un promedio de 0,75 (μg/g) y renio , con un promedio de 0,22 (μg/g). [14] Las cantidades considerables de cobalto y platino son las más notables.
La sulfuración de kamacita se ha realizado experimentalmente en condiciones de laboratorio. La sulfuración dio como resultado tres fases distintas: una solución sólida de monosulfuro ( Fe
incógnita(Ni,Co)
1-xS ), una fase de pentlandita ( Fe
incógnita(Ni,Co)
9-xS
8), así como una fase rica en P. Esto se realizó 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 en los meteoritos son inestables y han sido destruidos. [15] 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, microscopios electrónicos de barrido y análisis con microsonda electrónica. Esto se puede utilizar para permitir a los investigadores indexar fácilmente la cantidad de alteración que se ha producido en la muestra. Este índice se puede consultar más adelante al analizar otras áreas del meteorito donde la alteración no es tan clara. [16]
La taenita es el miembro final rico en níquel de la solución sólida de kamacita-taenita. La taenita se produce de forma natural 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 la cara de la red de kamacita y la naturaleza centrada en el cuerpo de la red de níquel, los 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, hexaedritas y octaedrita. La ataxita se refiere a los meteoritos que no muestran una estructura hexaédrica u octaédrica groseramente. 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. De la misma manera, si el meteorito está dominado por la taenita centrada en la cara, se le llama 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 se prepara para acentuar las estructuras de Thomson, por lo que muchas se denominan erróneamente ataxitas en primer lugar. [8] [17]
Se han analizado los elementos traza en la formación de kamacita a diferentes temperaturas, pero los elementos traza presentes 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 estar ubicados en la taenita o la kamacita. El análisis del límite entre la taenita y la kamacita puede dar pistas sobre la rapidez con la que se produjo el enfriamiento, así como sobre una gran variedad de otras condiciones durante la formación, según la ubicación final de los elementos traza. [ cita requerida ]
La kamacita solo es estable a temperaturas inferiores a 723 °C [8] o 600 °C (Stacey y Banerjee, 2012), [11] ya que es allí donde el hierro se enfría lo suficiente como para organizarse en una estructura cristalina centrada en el cuerpo. La kamacita también es estable solo a bajas presiones, como se puede suponer porque solo se forma en el espacio . [8]
La difracción metalográfica y de rayos X se puede utilizar en la kamacita para determinar el historial de choque de un meteorito. Se ha experimentado con el uso de la dureza para determinar el historial de choque, pero se ha descubierto que es demasiado poco fiable. Se aplicó la prueba de dureza Vickers a varias muestras de kamacita y se descubrió que los meteoritos que sufrieron un choque tenían valores de 160 a 170 kg/mm y los meteoritos que no sufrieron un choque pueden tener valores de hasta 244 kg/mm. [7] El choque provoca una estructura de transformación de hierro única que se puede medir utilizando técnicas metalográficas y de difracción de rayos X. Después de utilizar técnicas metalográficas y de difracción de rayos X para determinar el historial de choque, se descubrió que el 49% de los meteoritos encontrados en la Tierra contienen evidencia de choque.
Se han encontrado meteoritos de kamacita en todos los continentes de la Tierra y también en Marte . [18]
La kamacita se asocia principalmente con meteoritos porque necesita altas temperaturas, bajas presiones y algunos otros elementos más reactivos como el oxígeno. Los meteoritos de condritas se pueden dividir en grupos según los cóndrulos presentes. Hay tres tipos principales: condritas de enstatita, 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. [17] Se cree que las condritas ordinarias se originaron 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. [19] La kamacita también se encuentra en muchos de los meteoritos menos comunes, las mesosideritas y las condritas E. Las condritas E son condritas que están formadas principalmente por 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 comunes. [17] En el análisis de kamacita en las condritas E se encontró que generalmente contienen menos níquel que el promedio. [20]
Dado que la kamacita solo se forma en el espacio y solo se encuentra en la Tierra en meteoritos, su abundancia en la Tierra es muy baja. Su abundancia fuera de nuestro sistema solar es difícil de determinar. El hierro, el componente principal de la kamacita, es el sexto elemento más abundante en el universo y el más abundante de los elementos generalmente considerados metálicos. [21]
La taenita y la tochilinita son minerales que se asocian comúnmente con la kamacita. [ cita requerida ]
Se ha encontrado y estudiado kamacita en el cráter Meteor Crater , en Arizona. El cráter Meteor Crater fue el primer lugar confirmado de impacto de meteorito en el planeta y no fue reconocido universalmente como tal hasta la década de 1950. En la década de 1960, el Servicio Geológico de los Estados Unidos descubrió kamacita en especímenes recolectados en los alrededores del lugar, lo que vincula el mineral con los meteoritos. [22]
La kamacita se forma principalmente en meteoritos, pero se ha encontrado en cuerpos extraterrestres como Marte. Esto fue descubierto por el Mars Exploration Rover (MER) Opportunity . La kamacita no se originó en Marte, sino que fue depositada 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. [23]
El principal uso de la kamacita en la investigación es arrojar luz sobre la historia de un meteorito. Ya sea observando el historial de choques 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. [ cita requerida ]
Debido a su rareza y a su apariencia generalmente opaca, la kamacita no es popular entre los coleccionistas privados. Sin embargo, muchos museos y universidades tienen muestras de kamacita en sus colecciones. Normalmente, las muestras de kamacita se preparan utilizando pulimento y ácido para resaltar las estructuras de Thomson. La preparación de los especímenes implica lavarlos en un solvente, como hizo Thomson con ácido nítrico para resaltar las estructuras de Thomson. Luego se pulen intensamente para que luzcan brillantes. Generalmente, 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. [24]
Tanto la kamacita como 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 vale alrededor de 12.000 dólares estadounidenses/kg (la kamacita contiene 16,11 μg/g de platino) y el oro vale alrededor de 12.000 dólares estadounidenses/kg (la kamacita contiene 0,52 μg/g de oro); sin embargo, la probabilidad de un retorno rentable es bastante escasa. [25] La minería de asteroides para usos espaciales podría ser más práctica, ya que el transporte de materiales desde la Tierra es costoso. De manera similar a los planes actuales de reutilizar 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. [26]
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