Med högtrycksexperiment vid DESYs röntgenljuskälla PETRA III och andra anläggningar, ett forskarlag kring Leonid Dubrovinsky från University of Bayreuth har löst en långvarig gåta i analysen av meteoriter från månen och Mars. Studien, publiceras i tidskriften Naturkommunikation , kan förklara varför olika versioner av kiseldioxid kan samexistera i meteoriter, även om de normalt kräver väldigt olika förhållanden för att bildas. Resultaten innebär också att tidigare bedömningar av förhållanden under vilka meteoriter har bildats noggrant måste omprövas.

Forskarna undersökte ett mineral av kiseldioxid (SiO2) som kallas cristobalit. "Detta mineral är av särskilt intresse när man studerar planetariska prover, som meteoriter, eftersom detta är det dominerande kiseldioxidmineralet i utomjordiska material, " förklarar första författare Ana Černok från Bayerisches Geoinstitut (BGI) vid University Bayreuth, som nu är baserad på Open University i Storbritannien. "Cristobalite har samma kemiska sammansättning som kvarts, men strukturen är mycket annorlunda, " tillägger medförfattaren Razvan Caracas från CNRS, ENS de Lyon.

Till skillnad från allestädes närvarande kvarts, cristobalit är relativt sällsynt på jordens yta, eftersom det bara bildas vid mycket höga temperaturer under speciella förhållanden. Men det är ganska vanligt i meteoriter från månen och Mars. Utstöts av asteroidnedslag från ytan på månen eller Mars, dessa stenar föll till slut till jorden.

Förvånande, forskare har också hittat kiseldioxidmineralet seifertite tillsammans med cristobalit i mars- och månmeteoriter. Seifertite syntetiserades först av Dubrovinsky och kollegor för 20 år sedan och behöver extremt höga tryck för att bildas. "Att hitta cristobalit och seifertit i samma korn av meteoritmaterial är gåtfullt, eftersom de bildas under mycket olika tryck och temperaturer, " understryker Dubrovinsky. "Utlöst av denna märkliga observation, beteendet hos cristobalit vid högt tryck har undersökts av många experimentella och teoretiska studier i mer än två decennier, men pusslet kunde inte lösas."

Genom att använda intensiva röntgenstrålar från PETRA III vid DESY och European Synchrotron Radiation Facility ESRF i Grenoble (Frankrike), forskarna kunde nu få oöverträffade synpunkter på kristobalitens struktur under höga tryck på upp till 83 giga-pascal (GPa), vilket motsvarar ungefär 820, 000 gånger atmosfärstrycket. "Experimenten visade att när cristobalit komprimeras enhetligt eller nästan enhetligt - eller som vi säger, under hydrostatiska eller kvasihydrostatiska förhållanden – det antar en högtrycksfas märkt kristobalit X-I, " förklarar DESY medförfattare Elena Bykova som arbetar på Extreme Conditions Beamline P02.2 på PETRA III, där experimenten ägde rum. "Denna högtrycksfas återgår till normal kristobalit när trycket släpps."

Men om cristobalit komprimeras ojämnt under vad forskarna kallar icke-hydrostatiska förhållanden, det omvandlas oväntat till en seifertitliknande struktur, som försöken nu visat. Denna struktur bildas under betydligt mindre tryck än nödvändigt för att bilda seifertit från vanlig kiseldioxid. "Ab initio-beräkningarna bekräftar den nya fasens dynamiska stabilitet upp till höga tryck, " säger Caracas. Dessutom förblir det stabilt när trycket släpps. "Detta kom som en överraskning, " säger Černok. "Vår studie klargör hur pressad cristobalit kan omvandlas till seifertit vid mycket lägre tryck än förväntat. Därför, meteoriter som innehåller seifertit associerade med cristobalit har inte nödvändigtvis upplevt massiva nedslag." utbredningen av stötvågen genom berget kan skapa mycket komplexa spänningsmönster även med korsande områden av hydrostatiskt och icke-hydrostatiskt komprimerade material, så att olika versioner av kiseldioxid kan bildas i samma meteorit.

"Dessa resultat har omedelbara konsekvenser för att studera påverkansprocesser i solsystemet, " understryker Dubrovinsky. "De ger tydliga bevis för att varken cristobalit eller seifertit bör betraktas som tillförlitliga spårare av de toppchockförhållanden som upplevs av meteoriter." Men observationerna visar också mer generellt att samma material kan reagera mycket olika på hydrostatiska och icke- hydrostatisk kompression, som Dubrovinsky förklarar. "För materialvetenskap föreslår våra resultat en ytterligare mekanism för manipulering av materialegenskaper:Förutom tryck och temperatur, olika former av stress kan leda till helt olika beteende hos fast materia."