Síntesis a alta presión de U2[CO3]3 y U[CO3]2 como fases hospedantes potenciales del uranio en el manto terrestre

Calor oculto en las profundidades de la Tierra

Gran parte del calor interno de la Tierra procede de la lenta desintegración radiactiva de elementos como el uranio. Este calor impulsa la tectónica de placas, alimenta los volcanes y moldea el planeta a lo largo de miles de millones de años. Sin embargo, los científicos aún no saben completamente dónde, ni en qué forma, se almacena el uranio en lo profundo del manto. Este estudio explora una posibilidad inesperada: que ciertas rocas ricas en carbono muy por debajo de nuestros pies puedan ocultar uranio en minerales especiales basados en carbono, lo que ayudaría a explicar cómo se genera el calor y cómo se mueven los elementos en el interior de la Tierra.

Por qué importa el hogar profundo del uranio

Mediciones de partículas esquivas llamadas geoneutrinos muestran que el uranio aporta una gran parte del calor interno de la Tierra. Cerca de la superficie, el uranio se encuentra en una variedad de minerales, a menudo ligado al oxígeno en formas bien conocidas como la uraninita y los carbonatos uranílicos. Pero el manto —la vasta capa rocosa entre la corteza y el núcleo— es distinto. Los minerales más comunes del manto no aceptan fácilmente grandes cantidades de uranio, por lo que deben existir otros hospedadores más inusuales. Al mismo tiempo, sabemos por diamantes y experimentos de alta presión que partes del manto profundo pueden ser sorprendentemente ricas en carbono. Eso plantea una pregunta clave: ¿podrían los minerales carbonatados, formados por grupos de carbono y oxígeno, atrapar uranio bajo las inmensas presiones y altas temperaturas que se dan a cientos de kilómetros de profundidad?

Recreando el interior de la Tierra en el laboratorio

Para poner a prueba esta idea, los investigadores recrearon condiciones similares a las de la zona de transición del manto terrestre, aproximadamente a 600 kilómetros de profundidad. Emplearon un dispositivo llamado celda de yunque de diamante, que comprime una muestra diminuta entre dos diamantes para alcanzar presiones de alrededor de 20 gigapascales —más de 200.000 veces la presión atmosférica. Colocaron un pequeño cristal de dióxido de uranio, un óxido común del uranio, en esta cámara de presión en miniatura y lo rodearon con dióxido de carbono sólido. Luego calentaron la muestra con un láser hasta cerca de 1.800 kelvin, temperaturas similares a las esperadas en esa parte del manto. Durante y después del calentamiento, estudiaron la muestra usando espectroscopía Raman, que detecta cómo la luz interactúa con las vibraciones atómicas, y potentes haces de rayos X de sincrotrón capaces de revelar la disposición atómica de cualquier nuevo cristal formado.

Descubriendo nuevos minerales que contienen uranio

Los experimentos mostraron que el dióxido de uranio reaccionó con el dióxido de carbono comprimido para formar dos carbonatos de uranio totalmente nuevos, ambos sin agua en su estructura. Un compuesto, denominado U2[CO3]3, contiene uranio en un estado de carga relativamente bajo (a menudo descrito como «trivalente»), mientras que el otro, U[CO3]2, alberga uranio en un estado de carga algo mayor («tetravalente»). En ambos minerales, el carbono y el oxígeno forman grupos planos y triangulares que se apilan y enlazan de distintas maneras, con átomos de uranio rodeados por jaulas irregulares de átomos de oxígeno. Usando la difracción de rayos X de sincrotrón, el equipo determinó la disposición tridimensional detallada de los átomos en cada compuesto. Luego emplearon cálculos avanzados basados en la mecánica cuántica para confirmar que estas disposiciones son estables y para examinar cuán compresibles son los nuevos minerales bajo presión.

Lo que revelan las estructuras atómicas

Los datos estructurales y los cálculos muestran que estos nuevos carbonatos de uranio se comportan de forma similar a otros carbonatos de alta presión que contienen metales más comunes como el calcio o el estroncio. Las distancias entre los átomos de uranio y oxígeno, y la forma en que los grupos carbonato se enlazan, son coherentes con enlaces fuertes y estables incluso a presiones muy altas. Es importante que el uranio esté presente en formas más reducidas en comparación con su habitual estado de alta carga en los minerales uranílicos cercanos a la superficie. Esto concuerda con las condiciones más pobres en oxígeno, es decir, «reducentes», que se esperan en el manto más profundo. Las propiedades mecánicas —la manera en que los cristales se comprimen— también se sitúan en el mismo rango que los carbonatos relevantes para el manto, lo que sugiere que estas fases podrían sobrevivir en condiciones realistas del manto profundo.

Qué significa esto para el interior de la Tierra

Al sintetizar y caracterizar estos dos nuevos carbonatos de uranio, el estudio demuestra que minerales carbonatados simples y sin agua pueden, de hecho, hospedar uranio a las presiones y temperaturas del manto profundo, en particular en regiones ricas en carbono. Esto ofrece una respuesta plausible a dónde podría residir parte del uranio terrestre a medida que las placas tectónicas transportan rocas superficiales hacia abajo. Si los carbonatos uranílicos formados cerca de la superficie son arrastrados hacia el manto, pueden transformarse en carbonatos de uranio más reducidos como los descubiertos aquí, contribuyendo a almacenar elementos radiactivos y su calor muy por debajo de nuestros pies. Trabajos futuros sobre la estabilidad de estos minerales junto a otras rocas del manto aclararán aún más cómo se distribuye el uranio en el interior de la Tierra y cómo contribuye al motor térmico de largo plazo de nuestro planeta.

Cita: Spahr, D., Bayarjargal, L., Bykova, E. et al. High-pressure synthesis of U₂[CO₃]₃ and U[CO₃]₂ as potential host phases for uranium in the Earth’s mantle. Commun Chem 9, 112 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-01911-0

Palabras clave: carbonatos de uranio, manto terrestre, minerales de alta presión, ciclo profundo del carbono, calor radiogénico