Wanneer een meteoriet door de atmosfeer raast en op de aarde neerstort, hoe verandert de gewelddadige impact de mineralen die op de landingsplaats worden gevonden? Wat kunnen de kortstondige chemische fasen die door deze extreme inslagen worden gecreëerd, wetenschappers leren over de mineralen die bestaan ​​onder de hoge temperatuur en druk die diep in de planeet worden aangetroffen?

Nieuw werk onder leiding van Carnegie's Sally June Tracy onderzocht de kristalstructuur van het silica-mineraalkwarts onder schokcompressie en daagt al lang bestaande veronderstellingen uit over hoe dit alomtegenwoordige materiaal zich onder zulke intense omstandigheden gedraagt. De resultaten zijn gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

"Kwarts is een van de meest voorkomende mineralen in de aardkorst, gevonden in een groot aantal verschillende gesteenten, ' legde Tracy uit. 'In het lab, we kunnen een meteorietinslag nabootsen en zien wat er gebeurt."

Tracy en haar collega's - Stefan Turneaure van de Washington State University (WSU) en Thomas Duffy van Princeton University, een voormalige Carnegie Fellow - gebruikte een gespecialiseerd kanonachtig gaskanon om projectielen met extreem hoge snelheden in kwartsmonsters te versnellen - meerdere keren sneller dan een kogel die uit een geweer wordt afgevuurd. Speciale röntgeninstrumenten werden gebruikt om de kristalstructuur van het materiaal te onderscheiden dat zich na de impact in minder dan een miljoenste van een seconde vormt. Experimenten werden uitgevoerd in de Dynamic Compression Sector (DCS), die wordt beheerd door WSU en zich bevindt op de Advanced Photon Source, Argonne Nationaal Laboratorium.

Kwarts bestaat uit één siliciumatoom en twee zuurstofatomen die in een tetraëdrische roosterstructuur zijn gerangschikt. Omdat deze elementen ook veel voorkomen in de silicaatrijke aardmantel, het ontdekken van de veranderingen die kwarts ondergaat bij hoge druk en -temperatuur, zoals die in het binnenste van de aarde, zou ook details over de geologische geschiedenis van de planeet kunnen onthullen.

Wanneer een materiaal wordt blootgesteld aan extreme drukken en temperaturen, de interne atomaire structuur kan opnieuw worden gevormd, waardoor zijn eigenschappen verschuiven. Bijvoorbeeld, zowel grafiet als diamant zijn gemaakt van koolstof. Maar grafiet, die zich vormt bij lage druk, is zacht en ondoorzichtig, en diamant, die zich onder hoge druk vormt, is superhard en transparant. De verschillende rangschikkingen van koolstofatomen bepalen hun structuren en hun eigenschappen, en dat beïnvloedt op zijn beurt hoe we ermee omgaan en ze gebruiken.

Ondanks tientallen jaren van onderzoek, er is al lang een discussie in de wetenschappelijke gemeenschap over welke vorm silica zou aannemen tijdens een impactgebeurtenis, of onder dynamische compressieomstandigheden zoals die worden ingezet door Tracy en haar medewerkers. Onder schokbelasting, Er wordt vaak aangenomen dat silica transformeert in een dichte kristallijne vorm die bekend staat als stishoviet - een structuur waarvan wordt aangenomen dat deze in de diepe aarde bestaat. Anderen hebben betoogd dat vanwege de snelle tijdschaal van de schok het materiaal in plaats daarvan een dichte, glasachtige structuur.

Tracy en haar team konden dat tegen de verwachting in aantonen, wanneer onderworpen aan een dynamische schok van meer dan 300, 000 keer normale atmosferische druk, kwarts ondergaat een overgang naar een nieuwe ongeordende kristallijne fase, waarvan de structuur het midden houdt tussen volledig kristallijn stishoviet en een volledig ongeordend glas. Echter, de nieuwe structuur kan niet standhouden als de uitbarsting van intense druk is verdwenen.

"Dynamische compressie-experimenten stelden ons in staat om dit langdurige debat te stoppen, ' concludeerde Tracy. 'Bovendien, impactgebeurtenissen zijn een belangrijk onderdeel van het begrijpen van planetaire vorming en evolutie en voortgezet onderzoek kan nieuwe informatie over deze processen onthullen."