(Principal) La Luna, fiel compañera lunar de la Tierra (recuadro) una ilustración de la composición del «material milagroso» grafeno.(Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva)/NASA)
Los científicos han descubierto copos de grafeno formados de forma natural en muestras de suelo lunar, lo que podría arrojar luz sobre el misterio que rodea la formación de la Luna.
Las muestras fueron recogidas en la Luna en 2020 por Chang’e-5 (CE-5), la quinta misión de exploración lunar del Programa Chino de Exploración Lunar y la primera misión china que devuelve muestras a la Tierra.
El grafeno es un alótropo del carbono formado por una sola capa de átomos dispuestos en forma de panal. Andre Geim y Konstantin Novoselov lo descubrieron en 2004. En 2010, el dúo recibió el Premio Nobel de Física por el descubrimiento debido a las notables propiedades físicas del grafeno y sus posibles aplicaciones en electrónica, almacenamiento de energía, detección y biomedicina, entre muchas otras.
«El grafeno ha revolucionado la investigación de la física de la materia condensada y la ciencia de los materiales con sus novedosos fenómenos físicos y extraordinarias propiedades», escribió el equipo de la muestra lunar en un reciente artículo publicado en la revista National Science Review.
Pero, ¿para qué buscaban los científicos grafeno en la Luna?
¿Podría el grafeno revelar cómo se formó la Luna?
El origen de la Luna sigue siendo objeto de debate, aunque a lo largo de los años se han propuesto muchas teorías. Una teoría en particular, la hipótesis del impacto gigante, ha ganado popularidad.
Esta hipótesis propone que la Tierra colisionó con un planeta del tamaño de Marte hace unos 4.500 millones de años, produciendo escombros en la órbita terrestre que acabaron formando la Luna. Este tipo de impactos gigantescos eran frecuentes en el sistema solar interior cuando la Tierra se estaba formando en la turbulenta era inicial de nuestro sistema planetario.
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Aunque la composición de la Luna es similar a la de la Tierra, las muestras traídas por las misiones Apolo de la NASA revelaron que la longeva compañera lunar de nuestro planeta es relativamente pobre en elementos volátiles (elementos que se vaporizan fácilmente), incluido el carbono, en comparación con nuestro planeta.
Una imagen artística de la violenta colisión que formó la luna de la Tierra (Crédito de la imagen: NASA)
Los científicos postularon que el intenso calor generado por una colisión tan masiva habría hecho que los elementos volátiles se vaporizaran y escaparan, dejando tras de sí un cuerpo empobrecido en carbono. Las muestras del Apolo también mostraban una similitud en la composición isotópica entre la Tierra y la Luna. Los isótopos son átomos de un mismo elemento con distinto número de neutrones en sus núcleos, por lo que estos resultados apoyan aún más la idea de que la Luna se formó a partir de material arrojado desde la Tierra tras un impacto gigantesco.
Estos nuevos datos del CE-5, junto con observaciones recientes que han detectado flujos de iones de carbono procedentes de la Luna, indican que podría haber allí carbono nativo o autóctono. Eso desafía el consenso existente en torno a esta teoría.
«Es muy deseable desentrañar la estructura cristalina del carbono autóctono [de la Luna] », escribió el equipo. Esto se debe a que el carbono es un elemento fundamental para comprender la formación y evolución de los cuerpos planetarios, ya que su forma y estructura vienen determinadas por el proceso de su formación.
«Dado que el grafeno se ha preparado de forma rutinaria mediante técnicas artificiales con morfologías y propiedades distintas, determinadas por el proceso de formación específico, la caracterización de la composición y la estructura del grafeno natural proporcionaría una rica información sobre la evolución geológica de los cuerpos parentales», afirma el equipo.
Concepto artístico de la misión china de retorno de muestras lunares Chang’e 5. (Crédito de la imagen: CNSA)
El equipo responsable del descubrimiento de grafeno en muestras lunares analizó una muestra de suelo lunar «con forma de aceituna» de 2,9 milímetros de largo y 1,6 mm de ancho.
Para buscar carbono grafénico dentro de esta muestra, los investigadores utilizaron una variedad de técnicas de caracterización comúnmente utilizadas por los químicos, incluyendo la microscopía electrónica de barrido (SEM) y la espectroscopia Raman.
La espectroscopia Raman es una técnica de dispersión de la luz que permite estudiar los modos de vibración, rotación y baja frecuencia de los enlaces moleculares. Así, esta técnica permite comprender mejor la estructura y composición de las moléculas. Por otro lado, el MEB crea imágenes de alta resolución de la superficie de un material utilizando un haz concentrado de electrones. El SEM puede utilizarse para determinar la composición elemental.
Muestras lunares de la misión Chang’e 5 en una vitrina que se expondrá en el Museo Nacional de China en Pekín. (Crédito de la imagen: CCTV)
Con estas herramientas, los científicos identificaron copos de grafeno incrustados en zonas ricas en carbono de la muestra, con un grosor de entre dos y siete capas. El equipo también observó que el grafeno en capas forma una estructura de concha que encierra un núcleo de compuestos complejos.
Esto sugiere un proceso de síntesis ascendente en lugar de la creación por exfoliación, la separación de capas rompiendo los enlaces entre ellas, que suele implicar una reacción a alta temperatura.
Además de encontrar grafeno en las muestras de suelo lunar devueltas por el CE-5, los científicos hallaron un compuesto que contiene hierro presente sólo en zonas de la muestra donde se encontró carbono.
Esto es intrigante porque los minerales que contienen hierro en la Luna, como el olivino y el piroxeno, pueden haber desempeñado un papel en la catalización de la transformación del carbono en grafeno.
La actividad volcánica, los vientos solares o los impactos de meteoritos podrían haber proporcionado la energía necesaria para esta transformación, lo que podría haber creado los entornos de alta presión y alta temperatura necesarios para que el carbono se convirtiera en grafeno.
«Este hallazgo puede reinventar la comprensión de los componentes químicos, los episodios geográficos y la historia de la Luna», declaró el equipo responsable de este descubrimiento.
