Удары метеорита могут привести к образованию кремнезема неожиданной формы
Когда метеорит пролетает сквозь атмосферу и падает на Землю, как его сильное воздействие меняет минералы, обнаруженные на месте посадки? Что короткоживущие химические фазы, создаваемые этими экстремальными ударами, могут научить ученых о минералах, существующих в условиях высокой температуры и давления, обнаруженных глубоко внутри планеты?
В новой работе под руководством Салли Джун Трейси из Карнеги изучалась кристаллическая структура кварцевого минерала при ударном сжатии и подвергалась сомнению давние предположения о том, как этот широко распространенный материал ведет себя в таких интенсивных условиях. Результаты опубликованы в Science Advances .
«Кварц — один из самых распространенных минералов в земной коре, обнаруженный во множестве различных типов горных пород», — объяснила Трейси. «В лаборатории мы можем имитировать удар метеорита и посмотреть, что произойдет».
Трейси и ее коллеги — Стефан Турнеор из Вашингтонского университета (WSU) и Томас Даффи из Принстонского университета, бывший научный сотрудник Карнеги, — использовали специализированную пушечную газовую пушку для ускорения снарядов в образцы кварца на чрезвычайно высоких скоростях — в несколько раз быстрее, чем пуля, выпущенная из винтовки. Специальные рентгеновские инструменты использовались, чтобы различить кристаллическую структуру материала, которая образуется менее чем на одну миллионную секунды после удара. Эксперименты проводились в секторе динамического сжатия (DCS), который находится в ведении WSU и расположен в усовершенствованном источнике фотонов Аргоннской национальной лаборатории.
Кварц состоит из одного атома кремния и двух атомов кислорода, образующих тетраэдрическую решетчатую структуру. Поскольку эти элементы также распространены в богатой силикатом мантии Земли, обнаружение изменений, которые претерпевает кварц в условиях высокого давления и температуры, как и в недрах Земли, может также раскрыть подробности геологической истории планеты.
Когда материал подвергается экстремальным давлениям и температурам, его внутренняя атомная структура может измениться, что приведет к изменению его свойств. Например, и графит, и алмаз сделаны из углерода. Но графит, образующийся при низком давлении, мягкий и непрозрачный, а алмаз, образующийся при высоком давлении, сверхтвердый и прозрачный. Различное расположение атомов углерода определяет их структуру и свойства, а это, в свою очередь, влияет на то, как мы взаимодействуем с ними и используем их.
Несмотря на десятилетия исследований, в научном сообществе ведутся давние дебаты о том, какую форму примет кремнезем во время удара или в условиях динамического сжатия, таких как те, которые используются Трейси и ее сотрудниками. При ударной нагрузке часто предполагается, что кремнезем превращается в плотную кристаллическую форму, известную как стишовит, — структуру, которая, как полагают, существует в глубинах Земли. Другие утверждали, что из-за быстрой временной шкалы удара материал вместо этого примет плотную стекловидную структуру.
Трейси и ее команда смогли продемонстрировать, что вопреки ожиданиям, когда он подвергается динамическому удару, превышающему нормальное атмосферное давление более чем в 300000 раз, кварц претерпевает переход в новую неупорядоченную кристаллическую фазу, структура которой является промежуточной между полностью кристаллическим стишовитом и полностью кристаллическим стишовитом. неупорядоченное стекло. Однако новая структура не может существовать после того, как утихнет всплеск сильного давления.
«Эксперименты по динамическому сжатию позволили нам положить конец этим давним дебатам», — заключила Трейси. «Более того, ударные события являются важной частью понимания формирования и эволюции планет, и продолжающиеся исследования могут дать новую информацию об этих процессах».
Это исследование было поддержано Агентством по уменьшению угрозы обороны и NSF. Университет штата Вашингтон (WSU) предоставил экспериментальную поддержку в виде наград Министерства энергетики США (DOE) / Национального агентства ядерной безопасности (NNSA).
Эта работа основана на экспериментах, проведенных в секторе динамического сжатия, управляемом WSU в рамках награды DOE / NNSA. В этом исследовании использовались ресурсы Advanced Photon Source, научного центра Министерства энергетики США, находящегося в ведении Управления науки Министерства энергетики США Аргоннской национальной службой.
Источник истории:
Материалы предоставлены Научным институтом Карнеги . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
Ссылка на журнал :
- Салли Джун Трейси, Стефан Дж. Тернор, Томас С. Даффи. Структурный отклик α-кварца на ударно-пластинчатое ударное сжатие . Science Advances , 2020; 6 (35): eabb3913 DOI: 10.1126 / sciadv.abb3913
