Met hogedrukexperimenten bij DESY's röntgenlichtbron PETRA III en andere faciliteiten, een onderzoeksteam rond Leonid Dubrovinsky van de Universiteit van Bayreuth heeft een al lang bestaand raadsel opgelost in de analyse van meteorieten van de maan en Mars. De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , kan verklaren waarom verschillende versies van silica naast elkaar kunnen bestaan ​​in meteorieten, hoewel ze normaal gesproken enorm verschillende omstandigheden nodig hebben om zich te vormen. De resultaten betekenen ook dat eerdere beoordelingen van omstandigheden waaronder meteorieten zijn gevormd, zorgvuldig moeten worden heroverwogen.

De wetenschappers onderzochten een mineraal siliciumdioxide (SiO2) dat cristobaliet wordt genoemd. "Dit mineraal is van bijzonder belang bij het bestuderen van planetaire monsters, zoals meteorieten, omdat dit het belangrijkste silicamineraal is in buitenaardse materialen, " legt eerste auteur Ana Černok van het Bayerisches Geoinstitut (BGI) aan de universiteit van Bayreuth uit, die nu is gevestigd aan de Open University in het VK. "Cristobaliet heeft dezelfde chemische samenstelling als kwarts, maar de structuur is aanzienlijk anders, " voegt co-auteur Razvan Caracas van CNRS toe, ENS de Lyon.

Anders dan alomtegenwoordig kwarts, cristobaliet is relatief zeldzaam op het aardoppervlak, omdat het zich alleen onder speciale omstandigheden bij zeer hoge temperaturen vormt. Maar het komt vrij vaak voor in meteorieten van de maan en Mars. Uitgeworpen door asteroïde-inslagen vanaf het oppervlak van de maan of Mars, deze rotsen vielen uiteindelijk op de aarde.

Verrassend genoeg, onderzoekers hebben ook het silicamineraal seifertiet samen met cristobaliet gevonden in Mars- en maanmeteorieten. Seifertite werd 20 jaar geleden voor het eerst gesynthetiseerd door Dubrovinsky en collega's en heeft extreem hoge druk nodig om zich te vormen. "Het vinden van cristobaliet en seifertiet in dezelfde korrel meteorietmateriaal is raadselachtig, omdat ze zich vormen onder enorm verschillende drukken en temperaturen, " onderstreept Dubrovinsky. "Triggerd door deze merkwaardige observatie, het gedrag van cristobaliet bij hoge druk is gedurende meer dan twee decennia onderzocht door talrijke experimentele en theoretische studies, maar de puzzel kon niet worden opgelost."

Met behulp van de intense röntgenstralen van PETRA III bij DESY en de European Synchrotron Radiation Facility ESRF in Grenoble (Frankrijk), de wetenschappers konden nu ongekende inzichten krijgen in de structuur van cristobaliet onder hoge druk tot 83 giga-pascal (GPa), wat overeenkomt met ongeveer 820, 000 keer de atmosferische druk. "De experimenten toonden aan dat wanneer cristobaliet uniform of bijna uniform wordt gecomprimeerd - of zoals we zeggen, onder hydrostatische of quasi-hydrostatische omstandigheden - het veronderstelt een hogedrukfase met het label cristobaliet X-I, " legt DESY co-auteur Elena Bykova uit, die werkt bij de Extreme Conditions Beamline P02.2 bij PETRA III, waar de experimenten plaatsvonden. "Deze hogedrukfase keert terug naar normaal cristobaliet wanneer de druk wordt opgeheven."

Maar als cristobaliet ongelijkmatig wordt samengeperst onder wat wetenschappers niet-hydrostatische omstandigheden noemen, het verandert onverwachts in een seifertiet-achtige structuur, zoals de experimenten nu hebben aangetoond. Deze structuur vormt zich onder aanzienlijk minder druk dan nodig is om seifertiet te vormen uit gewoon silica. "De ab initio berekeningen bevestigen de dynamische stabiliteit van de nieuwe fase tot hoge drukken, ", zegt Caracas. Bovendien blijft het ook stabiel als de druk wegvalt. "Dit kwam als een verrassing, ", zegt Černok. "Onze studie verduidelijkt hoe geperst cristobaliet kan veranderen in seifertiet bij veel lagere druk dan verwacht. Daarom, meteorieten die seifertiet bevatten, geassocieerd met cristobaliet, hebben niet noodzakelijkerwijs enorme inslagen ondergaan." Tijdens een inslag, de voortplanting van de schokgolf door de rots kan zeer complexe spanningspatronen creëren, zelfs met kruisende gebieden van hydrostatisch en niet-hydrostatisch samengeperste materialen, zodat in dezelfde meteoriet verschillende versies van silica kunnen ontstaan.

"Deze resultaten hebben directe implicaties voor het bestuderen van impactprocessen in het zonnestelsel, " onderstreept Dubrovinsky. "Ze leveren duidelijk bewijs dat noch cristobaliet noch seifertiet moet worden beschouwd als betrouwbare tracers van de piekschokomstandigheden die meteorieten ervaren." Maar de waarnemingen laten ook meer in het algemeen zien dat hetzelfde materiaal heel anders kan reageren op hydrostatisch en niet- hydrostatische compressie, zoals Dubrovinsky uitlegt. "Voor materiaalwetenschappen suggereren onze resultaten een extra mechanisme voor de manipulatie van de eigenschappen van materialen:naast druk en temperatuur, verschillende vormen van stress kunnen leiden tot een heel ander gedrag van vaste stof."