Når en meteorit suser gennem atmosfæren og styrter ned mod Jorden, hvordan ændrer dens voldsomme påvirkning de mineraler, der findes på landingsstedet? Hvad kan de kortvarige kemiske faser skabt af disse ekstreme påvirkninger lære forskerne om de mineraler, der findes ved de høje temperatur- og trykforhold, der findes dybt inde i planeten?
"Kvarts er et af de mest udbredte mineraler i jordskorpen, der findes i et væld af forskellige stentyper," forklarede Tracy. "I laboratoriet kan vi efterligne et meteoritnedslag og se, hvad der sker."
Tracy og hendes kolleger - Washington State University's (WSU) Stefan Turneure og Princeton University's Thomas Duffy, en tidligere Carnegie Fellow - brugte en specialiseret kanonlignende gaspistol til at accelerere projektiler ind i kvartsprøver ved ekstremt høje hastigheder - flere gange hurtigere end en kugle affyret fra en riffel. Specielle røntgeninstrumenter blev brugt til at skelne krystalstrukturen af materialet, der danner mindre end en milliontedel af et sekund efter stødet. Eksperimenter blev udført i Dynamic Compression Sector (DCS), som drives af WSU og er placeret ved Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory.
Kvarts består af et siliciumatom og to oxygenatomer arrangeret i en tetraedrisk gitterstruktur. Fordi disse elementer også er almindelige i Jordens silikatrige kappe, kan opdagelse af de ændringer, kvarts gennemgår ved højtryks- og temperaturforhold, som dem, der findes i Jordens indre, også afsløre detaljer om planetens geologiske historie.
Når et materiale udsættes for ekstreme tryk og temperaturer, kan dets indre atomare struktur omformes, hvilket får dets egenskaber til at ændre sig. For eksempel er både grafit og diamant lavet af kulstof. Men grafit, som dannes ved lavt tryk, er blød og uigennemsigtig, og diamant, som dannes ved højt tryk, er superhård og gennemsigtig. De forskellige arrangementer af carbonatomer bestemmer deres strukturer og egenskaber, og det påvirker igen, hvordan vi engagerer os i og bruger dem.
På trods af årtiers forskning har der været en langvarig debat i det videnskabelige samfund om, hvilken form silica ville tage under en påvirkningsbegivenhed eller under dynamiske kompressionsforhold som dem, der blev implementeret af Tracy og hendes samarbejdspartnere. Under stødbelastning antages silica ofte at omdannes til en tæt krystallinsk form kendt som stishovite - en struktur, der menes at eksistere i den dybe Jord. Andre har hævdet, at på grund af chokkets hurtige tidsskala vil materialet i stedet antage en tæt, glasagtig struktur.
Tracy og hendes team var i stand til at demonstrere, at i modsætning til forventningerne, når kvarts udsættes for et dynamisk stød på mere end 300.000 gange norm alt atmosfærisk tryk, gennemgår kvarts en overgang til en ny uordnet krystallinsk fase, hvis struktur er mellemliggende mellem fuldt krystallinsk stishovit og et helt uordnet glas. Den nye struktur kan dog ikke holde, når først udbruddet af intenst pres har lagt sig.
"Dynamiske kompressionseksperimenter gjorde det muligt for os at lægge denne langvarige debat i seng," konkluderede Tracy. "Herudover er påvirkningsbegivenheder en vigtig del af forståelsen af planetarisk dannelse og evolution, og fortsatte undersøgelser kan afsløre ny information om disse processer."
Dette arbejde er baseret på eksperimenter udført i Dynamic Compression Sector, der drives af WSU under en DOE/NNSA-pris. Denne forskning brugte ressourcerne fra Advanced Photon Source, en Department of Energy Office of Science User Facility, der drives for DOE Office of Science af Argonne National.
