Röntgendiffraktionsbilder som visar den nya formen av kiseldioxid skapad genom att skicka en intensiv stötvåg genom ett prov av kvarts med en specialiserad gaspistol. När röntgenstrålar studsar från återkommande plan av en kristallin struktur, de sprider sig. Detta skapar ett distinkt ringmönster. Varje ring är associerad med ett annat plan och tillsammans kan dessa data berätta för forskare om materialets arkitektur på atomnivå. Kredit:Sally June Tracy, Stefan Turneure, och Thomas Duffy.
När en meteorit susar genom atmosfären och kraschar mot jorden, hur förändrar dess våldsamma inverkan de mineraler som finns på landningsplatsen? Vad kan de kortlivade kemiska faserna som skapas av dessa extrema effekter lära forskare om de mineraler som finns vid de höga temperatur- och tryckförhållandena som finns djupt inne på planeten?
Nytt arbete ledd av Carnegies Sally June Tracy undersökte kristallstrukturen hos kiseldioxidmineralkvarts under chockkompression och utmanar långvariga antaganden om hur detta allestädes närvarande material beter sig under så intensiva förhållanden. Resultaten publiceras i Vetenskapens framsteg .
"Kvarts är ett av de mest förekommande mineralerna i jordskorpan, finns i en mängd olika bergarter, Tracy förklarade. "I labbet, vi kan härma ett meteoritnedslag och se vad som händer."
Tracy och hennes kollegor—Washington State University (WSU) Stefan Turneure och Princeton Universitys Thomas Duffy, en före detta Carnegie Fellow - använde en specialiserad kanonliknande gaspistol för att accelerera projektiler till kvartsprover i extremt höga hastigheter - flera gånger snabbare än en kula som avfyrades från ett gevär. Särskilda röntgeninstrument användes för att urskilja kristallstrukturen hos materialet som bildas mindre än en miljondels sekund efter sammanstötningen. Experiment utfördes vid Dynamic Compression Sector (DCS), som drivs av WSU och ligger vid Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory.
Kvarts består av en kiselatom och två syreatomer arrangerade i en tetraedrisk gitterstruktur. Eftersom dessa grundämnen också är vanliga i jordens silikatrika mantel, upptäcka förändringarna som kvarts genomgår vid högtrycks- och temperaturförhållanden, som de som finns i jordens inre, kan också avslöja detaljer om planetens geologiska historia.
När ett material utsätts för extrema tryck och temperaturer, dess inre atomstruktur kan omformas, får dess egenskaper att förändras. Till exempel, både grafit och diamant är gjorda av kol. Men grafit, som bildas vid lågt tryck, är mjuk och ogenomskinlig, och diamant, som bildas vid högt tryck, är superhård och transparent. De olika arrangemangen av kolatomer bestämmer deras strukturer och egenskaper, och det i sin tur påverkar hur vi engagerar oss och använder dem.
Trots årtionden av forskning, det har förekommit en långvarig debatt i det vetenskapliga samfundet om vilken form kiseldioxid skulle ta under en nedslagshändelse, eller under dynamiska komprimeringsförhållanden som de som används av Tracy och hennes medarbetare. Under chockbelastning, kiseldioxid antas ofta förvandlas till en tät kristallin form känd som stishovite - en struktur som tros existera i den djupa jorden. Andra har hävdat att på grund av den snabba tidsskalan för chocken kommer materialet istället att anta en tät, glasartad struktur.
Tracy och hennes team kunde visa det mot förväntningarna, när den utsätts för en dynamisk stöt på mer än 300, 000 gånger normalt atmosfärstryck, kvarts genomgår en övergång till en ny oordnad kristallin fas, vars struktur är mellanliggande mellan helt kristallin stisjovit och ett helt oordnat glas. Dock, den nya strukturen kan inte bestå när det intensiva trycket väl har lagt sig.
"Dynamiska kompressionsexperiment gjorde det möjligt för oss att lägga denna långvariga debatt till sängs, " avslutade Tracy. "Och mer, påverkanshändelser är en viktig del av att förstå planetbildning och evolution och fortsatta undersökningar kan avslöja ny information om dessa processer."
