Coesite är en polymorf av kiseldioxid som endast bildas under extremt högt tryck - 10, 000 gånger mer, i genomsnitt, än normalt atmosfärstryck. Närvaron av coesit indikerar antingen att material har skjutit upp genom jordskorpan från manteln, eller att en komet, meteor eller meteorit träffade platsen. Coesite kan också skapas vid kärnkraftsexplosioner.

Mekanismen genom vilken kiseldioxid (SiO2) omvandlas till coesit är dåligt förstådd av det vetenskapliga samfundet. Det har nu belysts genom atomistisk datasimulering i en studie som utförts av forskare som är anslutna till University of São Paulo (USP) i Brasilien, den kinesiska vetenskapsakademien i Hefei, Kina, och Abdus Salam International Center for Theoretical Physics i Trieste, Italien.

Artikeln, "Flera vägar vid tryckinducerad fasövergång av coesit, "publicerades i Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Coesit är kiseldioxid. Dess kemiska sammansättning är densamma som för kvarts. Skillnaden är att högt tryck förstör kristallgitteret som är karakteristiskt för kvarts och komprimerar kisel- och syreatomerna till ett amorft system. Resultatet är högdensitetsglas. När trycket har överskridit en viss tröskel, amorfiseringsprocessen blir irreversibel och materialet kan inte längre återgå till en kristallin konfiguration, "sa Caetano Rodrigues Miranda, en professor vid University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP) och huvudförfattare till artikeln.

Det finns kommersiella tillämpningar av resultaten, men för nu, huvudintresset är att använda dem som markörer för högtrycksscenarier. "Coesite är den karakteristiska" signaturen "för dessa scenarier, sa Miranda.

I studien, forskarna löste de skillnader som fanns med avseende på omvandling av coesit till andra faser (en högtrycksoktaedrisk fas, coesite-II och coesite-III) och kom fram till en modell som överensstämde med observationsdata. De beskrev också de molekylära mekanismerna associerade med dessa transformationer. "Det skulle vara mycket svårt att i laboratoriet återge de högtrycksförhållanden som finns i jordens mantel, "Miranda sa." Vi använde en datorsimulering, beskriva interaktioner mellan atomer så realistiskt som möjligt, och kartläggning, steg för steg, transformationerna till följd av tryckförändringar. "

Det bästa sättet att följa denna utveckling är via Raman -effekten, observerades experimentellt 1928 av den indiska fysikern Chandrasekhara Venkata Raman (1888-1970). Raman -effekten avser oelastisk spridning av ljus genom materia. När ett prov exciteras av en laserpuls, de flesta fotonerna är elastiskt spridda, dvs. med samma frekvens som de infallande fotonerna, av molekylerna eller atomerna i materialet. Dock, en liten del av fotonerna sprids inelastiskt, i allmänhet med en lägre frekvens. Analys av denna oelastiska spridning med hjälp av Raman -spektroskopi bestämmer materialets sammansättning och struktur. "Man kan säga att det ger materialets fingeravtryck, "Sa Miranda.

Forskarna utförde molekylära dynamiksimuleringar av Raman -spektrumet för de olika strukturerna av coesit under olika tryck. De fick korrelationer mellan materialets struktur och det yttre trycket, kartlägga steg för steg de flera vägarna i transformationen av coesite tills den amorfiserades helt, eller de i de kristallina faserna av kiseldioxid under högt tryck.

"Varje struktur visar ett mycket karakteristiskt mönster i Ramans spektrum, " sa Miranda. "När strukturen förändras på grund av tryckvariationer, detta mönster förändras också. Och detta gör att vi kan veta vilka strukturer som finns och hur de omvandlas under tryck. En jämförelse med experimentella resultat validerar den antagna modellen.

"Bindningslängder och vinklar, såväl som atomära vibrationslägen, är variabler som tillhandahålls av proceduren. Även om det är en amorf struktur och har en mycket mindre vanlig konfiguration än kvarts, till exempel, som är kristallint, coesite har ett karakteristiskt fingeravtryck vid Raman -spektroskopi.

"I en kristall, avstånden mellan gitteratomer och vinklarna som görs av segmenten som binder de olika atomerna är alltid desamma. Detta ger en klart definierad topp i spektrogrammet. När materialet amorfiseras, toppen förändras till en långsträckt platå. "

En intressant studie utförd av Miranda parallellt bestod av "sonificering" av de insamlade spektrala data. I detta fall, "sonifiering" innebar omvandling av de höga frekvenserna som är karakteristiska för ljus till låga frekvenser som är typiska för ljud. "Sonification låter dig använda hörsel istället för syn för att analysera data. Ur ett vetenskapligt perspektiv, fördelen med denna procedur är att när du hör ljud, du kan identifiera små variationer eller mer komplexa data mer exakt. De är lättare att höra än att se. Dessutom, det finns en fördel ur den konstnärliga synvinkeln:musik kan komponeras med hjälp av de erhållna ljudfragmenten. Så en bro kan byggas mellan vetenskap och konst, "Sa Miranda (klicka för att höra ljud).

Upptäckten av coesite i Chicxulub-kratern under Yucatanhalvön i Mexiko var ett betydande bevis på att denna geologiska formation var ett resultat av nedslaget av en komet eller stor asteroid. Den cirkulära kratern har en diameter på mer än 180 km, och ligger begravd djupt under halvön. Det upptäcktes i slutet av 1970 -talet av Antonio Camargo (Mexiko) och Glen Penfield (USA), geofysiker som letade efter olja. 1990, Penfield erhöll prover av berg som bildades under högt tryck som antydde att det var en påverkningsfunktion.

2016, forskare borrade hundratals meter under havsbotten i kraterns toppring, att få prover av coesit och andra bergarter, och allt annat än att stänga debatten genom att tillhandahålla robusta bevis för att det verkligen var en slagkrater.

Effekten som gav kratern var två miljoner gånger kraftigare än den största kärnkraftsanordning som någonsin testats, en vätgombomb på 58 megaton som kallas Tsar Bomba, detonerade av Sovjetunionen 1961.

Datum för påverkan, uppskattas till något mindre än 66 miljoner år sedan, konvergerar med hypotesen att världsomspännande klimatstörningar under denna period orsakade en massutrotningshändelse där 75 procent av växt- och djurarter på jorden plötsligt utrotades, inklusive alla icke-fågeldinosaurier. Påverkan skulle ha orsakat en mega-tsunami och en kolossal chockvåg, följt av jordbävningar, vulkanutbrott, skogsbränder och andra fenomen på global skala, inklusive ett moln av damm och aerosoler som täcker hela planeten i över ett decennium.