Una investigación liderada por el ICMUV descubre un compuesto cristalino que abre la puerta a una nueva química del carbono

En palabras de uno de los investigadores principales del experimento, el profesor del Departamento de Física Aplicada e investigador del Instituto de Ciencia de los Materiales (ICMUV) David Santamaría, este descubrimiento “abre la puerta a una nueva química del carbono bajo condiciones extremas”.

Los resultados de la investigación, una colaboración española y alemana, se acaban de publicar en la edición internacional de la prestigiosa revista científica Angewandte Chemie, donde se demuestra la “importancia del hallazgo” que “se extiende desde la ciencia de materiales hasta la geoquímica”, destaca Santamaría, quien explica cómo en la corteza terrestre los carbonatos se forman a partir de dióxido de carbono (CO₂) disuelto en agua, que reacciona y precipita con cationes metálicos. A medida que se desplazan las placas tectónicas, estos minerales penetran en el manto terrestre en zonas de subducción. Éste es un proceso “clave” en la regulación a largo plazo del CO2 terrestre, conocido como “el ciclo profundo del carbono”.

En las zonas próximas a las placas de subducción, los minerales carbonato y silicato coexisten. La existencia de la fase cristalina reportada con grupos silicato y carbonato enlazados “sugiere que, bajo ciertas medidas de presión y temperatura, pueden formarse sólidos más complejos de lo que los modelos tradicionales asumían para la interacción de silicatos y carbonatos en condiciones del manto interno”, apunta el investigador del área científico-académica del Parc Científic de la Universitat de València (PCUV).

Almacenamiento de carbono a escalas geológicas

Las principales implicaciones del descubrimiento se encuentran en “la potencial existencia de fases silicato-carbonato en formaciones subterráneas profundas y permite avanzar en el entendimiento y modelización de los mecanismos de almacenamiento de carbono a escalas geológicas”, señala Santamaría. 

A su vez, la observación experimental ha permitido descubrir a los investigadores que esta fase cristalina resulta “metaestable en condiciones ambiente”. Un hecho “de gran relevancia científica” al manifestar cómo “las barreras cinéticas se oponen e inhiben su libre transformación a la estructura energéticamente más favorable a temperatura y presión ambiente, permitiendo que la fase densa sea recuperable”.

El modelo más común de este proceso, la metaestabilidad, es el del diamante, “que se forma en condiciones de alta presión y temperatura en el manto, llega a la superficie terrestre mediante procesos geológicos y permanece debido a que su transformación a grafito es cinéticamente inhibida”, matiza.

“La potencial existencia de fases silicato-carbonato en formaciones subterráneas profundas y permite avanzar en el entendimiento y modelización de los mecanismos de almacenamiento de carbono a escalas geológicas”, David Santamaría, investigador del ICMUV

Por último, los investigadores concluyen que este descubrimiento abre la vía a una nueva química mineral, puesto que el entrelazamiento estructural presente en el nuevo compuesto “conecta dos de las familias minerales más abundantes en la Tierra: los silicatos y los carbonatos”. “Este tipo de reactividad bajo condiciones extremas, pero con fases potencialmente recuperables en condiciones ambiente, amplía de forma significativa el panorama composicional y estructural de las fases que pueden jugar un papel en el ciclo profundo del carbono”, añade Santamaría.

Técnicas de vanguardia

Según indica el investigador del ICMUV, para lograr la observación experimental de la síntesis y caracterización “por primera vez” de un carbonato doble de calcio y silicio (con fórmula Ca₂Si(CO₃)₄), en el que las unidades estructurales de silicio ([SiO₆] con coordinación octaédrica) y los grupos carbonato ([CO₃] trigonal plana) están interconectadas estructuralmente mediante átomos de oxígeno, se emplearon “técnicas de vanguardia”, como celdas de yunques de diamante y láseres de alta potencia. “Su determinación estructural se realizó in situ mediante difracción de rayos X con radiación sincrotrón, espectroscopía Raman y cálculos de primeros principios”, comenta.

El compuesto obtenido responde a una “topología inédita” dentro de sistemas MO–SiO₂–CO₂ (M = metal divalente), ya que, como sostiene el investigador, todavía “no se había encontrado una fase de estas características, y los pocos minerales silicato-carbonato que existían poseían entidades silicato y carbonato aisladas”.

El equipo investigador, con David Santamaría y Benedito Donizeti Botan-Neto (Instituto de Ciencia de los Materiales UV) al frente, cuenta también con la colaboración de la Universidad de Oviedo, la Universidad de Frankfurt (Goethe-Universität Frankfurt am Main) y el centro alemán de investigación Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY.