Wetenschappers van Stanford gebruiken de kracht van gerichte röntgenstralen om de transformaties te bestuderen die stenen onder intense hitte en druk ondergaan. De techniek zou nieuwe inzichten kunnen verschaffen in oude inslaggebeurtenissen van asteroïden, zoals die welke de vroege aarde hebben gehavend en een cruciale rol hebben gespeeld bij de vorming van andere rotsachtige planeten.

"Voor de eerste keer, we kunnen beginnen met het ontrafelen van de ultrasnelle transformatie van een gesteentemonster tijdens een dynamisch proces zoals schokcompressie. Door een reeks snapshots te maken, we kunnen vastleggen wat er gebeurt tijdens zeer snelle processen, " zegt Wendy Mao, een universitair hoofddocent geologische wetenschappen en fotonenwetenschap.

Met behulp van de Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser bij SLAC National Accelerator Laboratory, Mao en Arianna Gleason, een postdoctoraal onderzoeker bij Los Alamos National Laboratory en een gastonderzoeker in Mao's Extreme Environments Laboratory, voeren experimenten uit waarmee ze getuige kunnen zijn van de snelle transformaties van geschokte rotsen.

Eerst, ze gebruiken krachtige optische lasers om een ​​klein deel van een gesteentemonster te oververhitten en een plasma te creëren. "Het deel van de rots dat door de laser wordt geraakt, wordt een plasma dat afblaast, en het blaast zo snel af dat het een schokgolf veroorzaakt die de andere kant opgaat, ’ legt Gleason uit.

De warmte en compressie die door de bewegende schokgolf worden gegenereerd, verandert de kristallijne structuur van het resterende gesteentemonster, herschikt de atomen in een ander mineraal.

Om de eigenschappen van het veranderende mineraal te belichten en vast te leggen, de wetenschappers vuren een uitbarsting van gefocuste röntgenstralen van LCLS op het monster slechts nanoseconden na de eerste laserpuls. "De röntgenstralen hebben een golflengte die precies goed is om ons de afstanden tussen atomen te laten meten, " zegt Gleason. "Op basis van de positie van de atomen, we kunnen precies vertellen welk materiaal het is."

Door de aankomsttijd van de röntgenstralen te variëren, de wetenschappers kunnen een reeks snapshots van het mineraal genereren terwijl het in de loop van de tijd verandert. Het maken van een tijdreeks die 50 nanoseconden aan gesteenteveranderingen vertegenwoordigt, kan 6 tot 12 uur in het laboratorium vergen.

Door hun techniek te gebruiken, Mao en Gleason toonden onlangs aan dat het mineraal stishoviet, een zeldzame, extreem harde en dichte vorm van silica, kan zich in slechts enkele nanoseconden vormen, of miljardsten van een seconde – tientallen of zelfs honderden keren sneller dan eerder werd gedacht.

"Het hogedrukgedrag van silica is uitgebreid bestudeerd vanwege de toepassing ervan, niet alleen op planetaire wetenschap, maar ook op fundamentele fysica, scheikunde en materiaalkunde ook, ", zegt Mao. "Deze studie biedt kritisch inzicht in het mechanisme achter hoe verschillende vormen van silica van de ene structuur naar de andere transformeren."