Det är sant - vissa stenar kan flyta på vatten i flera år i taget. Och nu vet forskare hur de gör det, och vad som får dem att så småningom sjunka.

Röntgenstudier vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har hjälpt forskare att lösa detta mysterium genom att skanna inuti prover av lättvikt, glasartad, och porösa vulkaniska stenar som kallas pimpstenar. Röntgenförsöken utfördes på Berkeley Labs Advanced Light Source, en röntgenkälla som kallas en synkrotron.

De överraskande långlivade flytkraften hos dessa stenar-som kan bilda milslånga skräpfläckar på havet som kallas pimpstenar som kan färdas tusentals mil-kan hjälpa forskare att upptäcka vulkanutbrott under vattnet.

Och, bortom det, lära sig om dess flytning kan hjälpa oss att förstå hur den sprider arter runt planeten; pimpsten är näringsrik och fungerar lätt som sjöfarare av växtliv och andra organismer. Flytande pimpsten kan också vara en fara för båtar, eftersom den blandade blandningen av pimpsten kan täppa till motorer.

"Frågan om flytande pimpsten har funnits i litteraturen länge, och det var inte löst, "sa Kristen E. Fauria, en doktorand vid UC Berkeley som ledde studien, publicerad i Earth and Planetary Science Letters .

Medan forskare har vetat att pimpsten kan flyta på grund av gasfickor i sina porer, det var okänt hur dessa gaser förblir instängda inuti pimpstenen under långa perioder. Om du får i dig tillräckligt med vatten i en svamp, till exempel, det kommer att sjunka.

"Man trodde ursprungligen att pimpstenens porositet i huvudsak är förseglad, "Sa Fauria, som en korkad flaska som flyter i havet. Men pimpstenens porer är faktiskt i stort sett öppna och anslutna - mer som en flaska utan kork. "Om du lämnar locket och det fortfarande flyter ... vad händer?"

Vissa pimpstenar har till och med observerats att "bobba" i laboratoriet - sjunkit under kvällen och dykt upp under dagen.

För att förstå vad som fungerar i dessa stenar, laget använde vax för att belägga bitar av vattenexponerad pimpsten som togs från Medicine Lake Volcano nära Mount Shasta i norra Kalifornien och Santa María-vulkanen i Guatemala.

De använde sedan en röntgenbildteknik vid ALS som kallas mikrotomografi för att studera koncentrationer av vatten och gas-i detalj mätt i mikron, eller tusendelar av en millimeter-inom förvärmda pimpstenprover vid rumstemperatur.

De detaljerade 3D-bilderna som produceras med tekniken är mycket datakrävande, vilket utgjorde en utmaning för att snabbt identifiera koncentrationerna av gas och vatten i pimpstenprovens porer.

För att hantera detta problem, Zihan Wei, en besökande forskare från Peking University, använde ett verktyg för dataanalys som innehåller maskininlärning för att automatiskt identifiera gas- och vattenkomponenterna i bilderna.

Forskare fann att de gasfällande processerna som finns i pimpstenen avser "ytspänning, "en kemisk interaktion mellan vattenytan och luften ovanför den som fungerar som en tunn hud - detta tillåter vissa varelser, inklusive insekter och ödlor, att faktiskt gå på vatten.

"Processen som styr denna flytande sker på människohårens skala, "Sa Fauria." Många av porerna är verkligen, riktigt liten, som tunna sugrör som alla lindas ihop. Så ytspänningen dominerar verkligen. "

Teamet fann också att en matematisk formulering som kallas perkolationsteori, vilket hjälper till att förstå hur en vätska kommer in i ett poröst material, ger en bra passform för gasfällningsprocessen i pimpsten. Och gasdiffusion - som beskriver hur gasmolekyler söker områden med lägre koncentration - förklarar den slutliga förlusten av dessa gaser som får stenarna att sjunka.

Michael Manga, en personalvetare vid Berkeley Labs Energy Geosciences Division och en professor vid Institutionen för jord- och planetvetenskap vid UC Berkeley som deltog i studien, sa, "Det finns två olika processer:en som låter pimpsten flyta och en som får den att sjunka, "och röntgenstudierna hjälpte till att kvantifiera dessa processer för första gången. Studien visade att tidigare uppskattningar för flottationstid i vissa fall var avstängda av flera storleksordningar.

"Kristen hade tanken att i efterhand är uppenbart, "Manga sa, "det vattnet fyller bara en del av porutrymmet." Vattnet omger och fångar gaser i pimpstenen, bildar bubblor som gör stenarna flytande. Ytspänningen tjänar till att hålla dessa bubblor låsta inuti under längre perioder. Den bobbing som observerats i laboratorieexperiment av pimpsten flyter förklaras av instängd gas som expanderar under dagens hetta, vilket får stenarna att flyta tillfälligt tills temperaturen sjunker.

Röntgenarbetet vid ALS, tillsammans med studier av små bitar av pimpsten som flyter i vatten i Manga UC Berkeley lab, hjälpte forskare att utveckla en formel för att förutsäga hur länge en pimpsten normalt kommer att flyta baserat på dess storlek. Manga har också använt en röntgenteknik vid ALS som kallas mikrodiffraktion, vilket är användbart för att studera kristallernas ursprung i vulkaniska bergarter.

Dula Parkinson, en forskare vid Berkeley Labs ALS som hjälpte till med teamets mikrotomografiska experiment, sa, "Jag är alltid förvånad över hur mycket information Michael Manga och hans medarbetare kan dra ut från de bilder de samlar in på ALS, och hur de kan förena den informationen med andra delar för att lösa riktigt komplicerade pussel. "

Den senaste studien utlöste fler frågor om flytande pimpsten, Fauria sa, som hur pimpsten, kastas ut från djupa undervattensvulkaner, hittar vägen till ytan. Hennes forskargrupp har också genomfört röntgenförsök på ALS för att studera prover från så kallad "jätte" pimpsten som mätte mer än en meter lång.

Den stenen återhämtades från havsbotten i en aktiv undervattensvulkan av en forskningsexpedition 2015 som Fauria och Manga deltog i. Expeditionen, till en webbplats hundratals mil norr om Nya Zeeland, leddes av Rebecca Carey, en forskare som tidigare var ansluten till Labs ALS.

Vattenutbrott under vattnet är inte lika lätt att spåra som utbrott på land, och flytande pimpsten som upptäcktes av en passagerare i ett kommersiellt flygplan hjälpte faktiskt forskare att spåra källan till ett stort undervattensutbrott som inträffade 2012 och motiverade forskningsexpeditionen. Pimpstenar som sprutas från vulkanutbrott under vattnet varierar mycket i storlek men kan vanligtvis vara ungefär lika stora som ett äpple, medan pimpstenar från vulkaner på land tenderar att vara mindre än en golfboll.

"Vi försöker förstå hur den här gigantiska pimpstenen tillverkades, "Manga sa." Vi förstår inte riktigt hur ubåtutbrott fungerar. Denna vulkan utbröt helt annorlunda än vi antog. Vår förhoppning är att vi kan använda det här exemplet för att förstå processen. "

Fauria höll med om att det finns mycket att lära av vulkanstudier under vattnet, och hon noterade att röntgenstudier vid ALS kommer att spela en pågående roll i hennes teams arbete.