Patrón de Widmanstätten

Un patrón de Widmanstätten / ˈ v ɪ d m ɑː n ˌ ʃ t eɪ t ɪ n / ( VID -man-shtay-tin ), también conocido como estructura de Thomson , es una figura de fases largas de níquel - hierro , que se encuentra en las formas octaédricas de los cristales de meteoritos de hierro y algunas pallasitas .

Los meteoritos de hierro se forman muy a menudo a partir de un único cristal de aleación de hierro-níquel, o a veces de varios cristales grandes que pueden alcanzar varios metros de tamaño, y que con frecuencia carecen de límites cristalinos discernibles en su superficie. Los cristales grandes son escasos en los metales, y en los meteoritos se originan por un enfriamiento extremadamente lento desde un estado fundido en el vacío del espacio cuando se formó el Sistema Solar . Una vez en estado sólido, el enfriamiento lento permite que la solución sólida precipite una fase separada que crece dentro de la red cristalina , formándose en ángulos específicos determinados por dicha red. En los meteoritos, estos defectos intersticiales pueden crecer lo suficiente como para llenar todo el cristal con estructuras en forma de aguja o cinta, fácilmente visibles a simple vista, consumiendo casi por completo la red original. Consisten en una fina intercalación de bandas o cintas de kamacita y taenita llamadas lamelas . Comúnmente, en los espacios entre las lamelas, se puede encontrar una mezcla de grano fino de kamacita y taenita llamada plessita . ^{[ 1 ]}

Las estructuras de Widmanstätten describen características análogas en aceros modernos, ^{[ 2 ]} titanio y aleaciones de circonio, pero suelen ser microscópicas.

En 1808, estas figuras fueron observadas por el conde Alois von Beckh Widmanstätten , director de la fábrica de porcelana imperial de Viena . Mientras calentaba meteoritos de hierro a la llama , ^{[ 4 ]} Widmanstätten notó la diferenciación de zonas de color y brillo a medida que las distintas aleaciones de hierro se oxidaban a diferentes velocidades. No publicó sus hallazgos, reivindicándolos únicamente mediante comunicación oral con sus colegas. El descubrimiento fue reconocido por Carl von Schreibers , director del Gabinete de Minerales y Zoología de Viena, quien nombró la estructura en honor a Widmanstätten. ^{[ 5 ] [ 6 ] : 124} Sin embargo, ahora se cree que el descubrimiento del patrón cristalino del metal debe atribuirse al mineralogista inglés William ( Guglielmo ) Thomson , ya que publicó los mismos hallazgos cuatro años antes. ^{[ 7 ] [ 6 ] [ 8 ] [ 9 ]}

Trabajando en Nápoles en 1804, Thomson trató un meteorito de Krasnoyarsk con ácido nítrico para eliminar la pátina opaca causada por la oxidación. Poco después de que el ácido entrara en contacto con el metal, aparecieron extrañas figuras en la superficie, que él describió detalladamente como se mencionó anteriormente. Las guerras civiles y la inestabilidad política en el sur de Italia dificultaron que Thomson mantuviera contacto con sus colegas en Inglaterra. Esto quedó demostrado con la pérdida de correspondencia importante cuando su portador fue asesinado. ^{[ 8 ]} Como resultado, en 1804, sus hallazgos solo se publicaron en francés en la Bibliothèque Britannique . ^{[ 6 ] : 124–125 [ 8 ] [ 10 ]} A principios de 1806, Napoleón invadió el Reino de Nápoles y Thomson se vio obligado a huir a Sicilia ^{[ 8 ]} y en noviembre de ese año, murió en Palermo a la edad de 46 años. En 1808, la obra de Thomson fue publicada nuevamente póstumamente en italiano (traducida del manuscrito original en inglés) en Atti dell'Accademia Delle Scienze di Siena . ^{[ 11 ]} Las guerras napoleónicas obstaculizaron los contactos de Thomson con la comunidad científica y sus viajes por Europa, además de su temprana muerte, oscurecieron sus contribuciones durante muchos años.

Los nombres más comunes para estas figuras son patrón de Widmanstätten y estructura de Widmanstätten; sin embargo, existen algunas variaciones ortográficas:

• Widmanstetter (propuesto por Frederick C. Leonard ) ^{[ 12 ]}
• Widmannstätten (utilizado, por ejemplo, para el cráter lunar Widmannstätten )
• Widmanstatten (anglicizado)

Debido a la prioridad del descubrimiento de G. Thomson , varios autores sugirieron llamar a estas figuras estructura de Thomson o estructura de Thomson-Widmanstätten . ^{[ 6 ] [ 8 ] [ 9 ]}

La formación de kamacita pobre en Ni se produce por difusión de Ni en la aleación sólida a temperaturas entre 450 y 700  °C, y solo puede tener lugar durante un enfriamiento muy lento, de aproximadamente 100 a 10 000  °C/Myr, con tiempos de enfriamiento totales de 10 Myr o menos. ^{[ 13 ]} Esto explica por qué esta estructura no se puede reproducir en el laboratorio.

Los patrones cristalinos se hacen visibles cuando los meteoritos se cortan, pulen y graban con ácido, porque la taenita es más resistente al ácido.

La dimensión de las láminas de kamacita varía de más gruesa a más fina (según su tamaño) a medida que aumenta el contenido de níquel. Esta clasificación se denomina clasificación estructural .

El hierro y el níquel forman aleaciones homogéneas a temperaturas inferiores al punto de fusión ; estas aleaciones son taenita . A temperaturas inferiores a 900 a 600 °C (dependiendo del contenido de Ni), son estables dos aleaciones con diferente contenido de níquel: kamacita con menor contenido de Ni (5 a 15 % Ni) y taenita con alto contenido de Ni (hasta 50 %). Los meteoritos octaédricos tienen un contenido de níquel intermedio entre el normal para la kamacita y la taenita ; esto conduce, bajo condiciones de enfriamiento lento, a la precipitación de kamacita y al crecimiento de placas de kamacita a lo largo de ciertos planos cristalográficos en la red cristalina de la taenita . 

Los métodos utilizados para revelar el patrón de Widmanstätten en meteoritos de hierro varían. Lo más común es pulir y abrillantar la lámina, limpiarla, grabarla con un producto químico como ácido nítrico o cloruro férrico , lavarla y secarla. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Cortar el meteorito a lo largo de diferentes planos afecta la forma y la dirección de las figuras de Widmanstätten porque las láminas de kamacita en las octaedritas están dispuestas con precisión. Las octaedritas derivan su nombre de la estructura cristalina paralela a un octaedro . Las caras opuestas son paralelas, por lo que, aunque un octaedro tiene 8 caras, solo hay 4 conjuntos de placas de kamacita. El hierro y el níquel-hierro forman cristales con una estructura octaédrica externa solo muy raramente, pero estas orientaciones aún son claramente detectables cristalográficamente sin el hábito externo. Cortar un meteorito octaédrico a lo largo de diferentes planos (o cualquier otro material con simetría octaédrica, que es una subclase de la simetría cúbica) dará como resultado uno de estos casos:

• corte perpendicular a uno de los tres ejes (cúbicos): dos conjuntos de bandas perpendiculares entre sí
• Corte paralelo a una de las caras del octaedro (cortando los 3 ejes cúbicos a la misma distancia del centro cristalográfico)  : tres conjuntos de bandas que discurren en ángulos de 60° entre sí.
• cualquier otro ángulo: cuatro conjuntos de bandas con diferentes ángulos de intersección

El término estructura de Widmanstätten también se utiliza en materiales no meteoríticos para indicar una estructura con un patrón geométrico resultante de la formación de una nueva fase a lo largo de planos cristalográficos particulares de la fase original, como la estructura de cesta en algunas aleaciones de circonio . Las estructuras de Widmanstätten se forman debido al crecimiento de nuevas fases dentro de los límites de grano de los metales originales, lo que generalmente aumenta la dureza y la fragilidad del metal. Estas estructuras se forman debido a la precipitación de una única fase cristalina en dos fases separadas. De esta manera, la transformación de Widmanstätten difiere de otras transformaciones, como la transformación martensítica o ferrítica. Las estructuras se forman en ángulos muy precisos, que pueden variar según la disposición de las redes cristalinas. Suelen ser estructuras muy pequeñas que deben observarse a través de un microscopio, ya que generalmente se necesita una velocidad de enfriamiento muy lenta para producir estructuras visibles a simple vista. Sin embargo, suelen tener un gran efecto, a menudo indeseable, en las propiedades de la aleación. ^{[ 16 ]}

Las estructuras de Widmanstätten tienden a formarse dentro de un rango de temperatura específico, aumentando de tamaño con el tiempo. En el acero al carbono , por ejemplo, se forman durante el revenido si el acero se mantiene a una temperatura cercana a los 260 °C (500 °F) durante largos periodos. Estas estructuras se forman como crecimientos aciculares o laminares de cementita dentro de los límites cristalinos de la martensita. Esto aumenta la fragilidad del acero, un efecto que solo puede revertirse mediante la recristalización. En ocasiones, se presentan estructuras de Widmanstätten formadas por ferrita en el acero al carbono, si el contenido de carbono es inferior pero cercano a la composición eutectoide (~0,8 % de carbono). Esto ocurre como largas agujas de ferrita dentro de la perlita . ^{[ 16 ]}  

Las estructuras de Widmanstätten también se forman en muchos otros metales. Se formarán en el latón, especialmente si la aleación tiene un contenido de zinc muy alto, convirtiéndose en agujas de zinc en la matriz de cobre. Las agujas generalmente se formarán cuando el latón se enfría desde la temperatura de recristalización, y se volverán muy gruesas si el latón se recoce a 1112 °F (600 °C) durante largos períodos. ^{[ 16 ]} El hierro telúrico , que es una aleación de hierro-níquel muy similar a los meteoritos, también muestra estructuras de Widmanstätten muy gruesas. El hierro telúrico es hierro metálico, en lugar de un mineral (en el que generalmente se encuentra el hierro), y se originó en la Tierra en lugar del espacio. El hierro telúrico es un metal escaso, que se encuentra solo en unos pocos lugares del mundo. Al igual que los meteoritos, las estructuras de Widmanstätten muy gruesas probablemente se desarrollan a través de un enfriamiento muy lento, excepto que el enfriamiento ocurrió en el manto y la corteza de la Tierra en lugar del vacío y la microgravedad del espacio . ^{[ 17 ]} Estos patrones también se han observado en la mora , una aleación ternaria de uranio, después del envejecimiento a o por debajo de  A 400  °C durante periodos de minutos a horas se produce una fase monoclínica ɑ ″ . ^{[ 18 ]}

Sin embargo, la apariencia, la composición y el proceso de formación de estas estructuras terrestres de Widmanstätten son diferentes de la estructura característica de los meteoritos de hierro. ^{[ 19 ]}

Cuando un meteorito de hierro se forja para convertirlo en una herramienta o arma, los patrones de Widmanstätten permanecen, pero se estiran y distorsionan. Por lo general, estos patrones no se pueden eliminar por completo mediante la herrería, incluso con un trabajo extenso. Cuando un cuchillo o una herramienta se forja a partir de hierro meteórico y luego se pule, los patrones aparecen en la superficie del metal, aunque distorsionados. Aun así, tienden a conservar algunas de las formas octaédricas originales y la apariencia de finas láminas entrecruzadas. ^{[ 19 ]}

Dado que los cristales de níquel-hierro solo crecen hasta alcanzar longitudes de algunos centímetros cuando el metal sólido se enfría a un ritmo excepcionalmente lento (a lo largo de varios millones de años), la presencia de estos patrones sugiere fuertemente un origen extraterrestre del material y puede utilizarse para indicar si un trozo de hierro puede provenir de un meteorito .

• Ferrita acicular : microestructura del acero caracterizada por granos largos en forma de aguja. 
• Glosario de meteorítica

• Figuras de Widmannstätten en el meteorito de hierro de Gabaón
• Ferrita Widmannstätten, información académica