Coesiet is een polymorf van silica die zich alleen vormt onder extreem hoge druk-10, 000 keer meer, gemiddeld, dan de normale atmosferische druk. De aanwezigheid van coesiet geeft aan dat materiaal vanuit de mantel door de aardkorst is geduwd, of dat een komeet, meteoor of meteoriet sloeg de site. Coesiet kan ook ontstaan ​​bij nucleaire explosies.

Het mechanisme waardoor silica (SiO2) wordt omgezet in coesiet wordt door de wetenschappelijke gemeenschap slecht begrepen. Het is nu opgehelderd door atomistische computersimulatie in een studie uitgevoerd door onderzoekers verbonden aan de Universiteit van São Paulo (USP) in Brazilië, de Chinese Academie van Wetenschappen in Hefei, China, en het Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics in Triëst, Italië.

Het artikel, "Meerdere routes in drukgeïnduceerde faseovergang van coesiet, " werd gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Coesiet is siliciumdioxide. De chemische samenstelling is dezelfde als die van kwarts. Het verschil is dat hoge druk het kristalrooster van kwarts destructureert en de silicium- en zuurstofatomen samenperst tot een amorf systeem. Het resultaat is glas met een hoge dichtheid. Zodra de druk een bepaalde drempel heeft overschreden, het amorfisatieproces wordt onomkeerbaar en het materiaal kan niet langer terugkeren naar een kristallijne configuratie, " zei Caetano Rodrigues Miranda, een professor aan het Physics Institute (IF-USP) van de Universiteit van São Paulo en hoofdauteur van het artikel.

Er zijn commerciële toepassingen van de bevindingen, maar voor nu, het belangrijkste belang is om ze te gebruiken als markers van hogedrukscenario's. "Coesiet is de kenmerkende 'handtekening' van deze scenario's, ' zei Miranda.

In de studie, de onderzoekers losten verschillen op die bestonden met betrekking tot de transformatie van coesiet in andere fasen (een hogedruk octaëdrische fase, coesiet-II en coesiet-III) en kwamen tot een model dat consistent was met de waarnemingsgegevens. Ze beschreven ook de moleculaire mechanismen die met deze transformaties gepaard gaan. "Het zou heel moeilijk zijn om in het laboratorium de hogedrukomstandigheden in de aardmantel te reproduceren, "Zei Miranda. "We gebruikten een computersimulatie, de interacties tussen atomen zo realistisch mogelijk te beschrijven, en in kaart brengen, stap voor stap, de transformaties als gevolg van drukveranderingen."

De beste manier om deze evolutie te volgen is via het Raman-effect, experimenteel waargenomen in 1928 door de Indiase natuurkundige Chandrasekhara Venkata Raman (1888-1970). Het Raman-effect heeft betrekking op de inelastische verstrooiing van licht door materie. Wanneer een monster wordt geëxciteerd door een laserpuls, de meeste fotonen zijn elastisch verstrooid, d.w.z., met dezelfde frequentie als de invallende fotonen, door de moleculen of atomen in het materiaal. Echter, een klein deel van de fotonen verstrooit inelastisch, meestal met een lagere frequentie. Analyse van deze inelastische verstrooiing door middel van Raman-spectroscopie bepaalt de samenstelling en structuur van het materiaal. "Je zou kunnen zeggen dat het de vingerafdruk van het materiaal geeft, ' zei Miranda.

De onderzoekers voerden moleculaire dynamische simulaties uit van het Raman-spectrum voor de verschillende structuren van coesiet onder verschillende drukken. Ze verkregen correlaties tussen de structuur van het materiaal en de externe druk, stap voor stap de meerdere paden in de transformatie van coesiet in kaart brengen totdat het volledig was geamorfiseerd, of die in de kristallijne fasen van silica onder hoge druk.

"Elke structuur vertoont een zeer karakteristiek patroon in het Raman-spectrum, "Zei Miranda. "Als de structuur verandert als gevolg van drukvariatie, dit patroon verandert ook. En zo weten we welke structuren aanwezig zijn en hoe ze onder druk worden getransformeerd. Een vergelijking met experimentele resultaten valideert het aangenomen model.

"Band lengtes en hoeken, evenals atomaire vibratiemodi, zijn variabelen die door de procedure worden geleverd. Hoewel het een amorfe structuur is en een veel minder regelmatige configuratie heeft dan kwarts, bijvoorbeeld, die kristallijn is, coesiet heeft een karakteristieke vingerafdruk in Raman-spectroscopie.

"In een kristal, de afstanden tussen roosteratomen en de hoeken gemaakt door de segmenten die de verschillende atomen verbinden zijn altijd hetzelfde. Dit levert een duidelijk gedefinieerde piek in het spectrogram op. Naarmate het materiaal amorf wordt, de piek verandert in een langgerekt plateau."

Een interessant onderzoek dat tegelijkertijd door Miranda werd uitgevoerd, bestond uit de "sonificatie" van de verzamelde spectrale gegevens. In dit geval, "sonificatie" hield in dat de hoge frequenties die kenmerkend zijn voor licht worden omgezet in lage frequenties die kenmerkend zijn voor geluid. "Met sonificatie kun je het gehoor gebruiken in plaats van het zicht om gegevens te analyseren. Vanuit wetenschappelijk oogpunt het voordeel van deze procedure is dat wanneer u geluiden hoort, u kunt kleine variaties of complexere gegevens nauwkeuriger identificeren. Ze zijn gemakkelijker te horen dan te zien. In aanvulling, er is een voordeel vanuit artistiek oogpunt:muziek kan worden gecomponeerd met behulp van de verkregen geluidsfragmenten. Zodat er een brug kan worden geslagen tussen wetenschap en kunst, ' zei Miranda (klik om audio te horen).

De ontdekking van coesiet in de Chicxulub-krater onder het schiereiland Yucatan in Mexico was een belangrijk bewijs dat deze geologische formatie het gevolg was van de inslag van een komeet of een grote asteroïde. De cirkelvormige krater heeft een diameter van meer dan 180 km, en ligt diep onder het oppervlak van het schiereiland begraven. Het werd eind jaren 70 ontdekt door Antonio Camargo (Mexico) en Glen Penfield (Verenigde Staten), geofysici die op zoek waren naar olie. In 1990, Penfield nam monsters van onder hoge druk gevormd gesteente dat suggereerde dat het een inslag was.

in 2016, wetenschappers boorden honderden meters onder de oceaanbodem in de topring van de krater, het verkrijgen van monsters van coesiet en ander gesteente, en alles behalve het debat afsluiten door robuust bewijs te leveren dat het inderdaad een inslagkrater was.

De inslag die de krater veroorzaakte was twee miljoen keer krachtiger dan het grootste nucleaire apparaat dat ooit is getest. een 58 megaton waterstofbom bekend als Tsar Bomba, in 1961 tot ontploffing gebracht door de Sovjet-Unie.

De datum van de impact, geschat op iets minder dan 66 miljoen jaar geleden, komt overeen met de hypothese dat wereldwijde klimaatverstoring in deze periode een massale uitsterving veroorzaakte waarbij 75 procent van de plant- en diersoorten op aarde plotseling uitstierven, inclusief alle niet-aviaire dinosaurussen. De impact zou een mega-tsunami en een kolossale schokgolf hebben veroorzaakt, gevolgd door aardbevingen, vulkanische uitbarstingen, bosbranden en andere fenomenen op wereldschaal, waaronder een wolk van stof en aerosolen die de hele planeet meer dan tien jaar bedekte.