Các cuộc tấn công của thiên thạch có thể bất ngờ tạo ra dạng silica

Hình ảnh nhiễu xạ tia X cho thấy dạng silica mới được tạo ra bằng cách gửi một sóng xung kích cường độ cao qua một mẫu thạch anh bằng súng khí chuyên dụng. Khi tia X phóng ra khỏi các mặt phẳng lặp lại của cấu trúc tinh thể, chúng sẽ phân tán. Điều này tạo ra một mẫu nhẫn đặc biệt. Mỗi vòng được liên kết với một mặt phẳng khác nhau và kết hợp dữ liệu này có thể cho các nhà nghiên cứu biết về kiến ​​trúc cấp nguyên tử của vật liệu.
Hình ảnh được cung cấp bởi Sally June Tracy, Stefan Turneaure và Thomas Duffy.

Khi một thiên thạch lao qua bầu khí quyển và đâm vào Trái đất, tác động dữ dội của nó sẽ làm thay đổi các khoáng chất được tìm thấy tại địa điểm hạ cánh như thế nào? Các pha hóa học tồn tại trong thời gian ngắn được tạo ra bởi những tác động cực đoan này có thể dạy cho các nhà khoa học điều gì về các khoáng chất tồn tại ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao được tìm thấy sâu bên trong hành tinh?

Công trình mới do Sally June Tracy của Carnegie dẫn đầu đã kiểm tra cấu trúc tinh thể của thạch anh khoáng silica dưới tác động nén va chạm và đang thách thức những giả thiết lâu đời về cách vật liệu phổ biến này hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt như vậy. Kết quả được công bố trên tạp chí Science Advances.

Tracy giải thích: “Thạch anh là một trong những khoáng chất phong phú nhất trong vỏ Trái đất, được tìm thấy trong vô số loại đá khác nhau. Trong phòng thí nghiệm, chúng tôi có thể bắt chước một vụ va chạm thiên thạch và xem điều gì sẽ xảy ra”.

Tracy và các đồng nghiệp của cô – Stefan Turneaure thuộc trường Đại học Bang Washington (WSU) và Thomas Duffy thuộc trường Đại học Princeton, một cựu Nghiên cứu viên của Carnegie – đã sử dụng một khẩu súng hơi giống đại bác chuyên dụng để tăng tốc đường đạn vào các mẫu thạch anh ở tốc độ cực cao – nhanh hơn nhiều lần so với một viên đạn bắn ra từ một khẩu súng trường. Các công cụ tia X đặc biệt được sử dụng để phân biệt cấu trúc tinh thể của vật liệu hình thành chưa đầy một phần triệu giây sau khi va chạm. Các thí nghiệm được thực hiện tại Khu vực nén động (DCS), được vận hành bởi WSU và đặt tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne Source Photon.

Thạch anh được tạo thành từ một nguyên tử silicon và hai nguyên tử oxy được sắp xếp theo cấu trúc mạng tinh thể tứ diện. Bởi vì những nguyên tố này cũng phổ biến trong lớp phủ giàu silicat của Trái đất, việc phát hiện ra những thay đổi mà thạch anh trải qua ở điều kiện áp suất và nhiệt độ cao, giống như những nguyên tố được tìm thấy trong lòng Trái đất, cũng có thể tiết lộ chi tiết về lịch sử địa chất của hành tinh.

Khi một vật liệu chịu áp suất và nhiệt độ quá cao, cấu trúc nguyên tử bên trong của nó có thể được định hình lại, khiến các đặc tính của nó bị thay đổi. Ví dụ, cả than chì và kim cương đều được làm từ carbon. Nhưng than chì, hình thành ở áp suất thấp, mềm và không trong suốt, còn kim cương, hình thành ở áp suất cao, siêu cứng và trong suốt. Sự sắp xếp khác nhau của các nguyên tử cacbon quyết định cấu trúc và tính chất của chúng, điều đó ảnh hưởng đến cách chúng ta tham gia và sử dụng chúng.

Bất chấp nhiều thập kỷ nghiên cứu, đã có một cuộc tranh luận lâu dài trong cộng đồng khoa học về dạng silica sẽ hình thành trong một sự kiện tác động, hoặc trong các điều kiện nén động như được Tracy và các cộng sự của cô triển khai. Dưới tác dụng của xung kích, silica thường được cho là chuyển thành dạng tinh thể dày đặc được gọi là stishovite – một cấu trúc được cho là tồn tại trong lòng đất sâu. Những người khác lập luận rằng do thời gian của cú sốc nhanh, vật liệu thay vào đó sẽ có cấu trúc thủy tinh dày đặc.

Tracy và nhóm của cô ấy đã có thể chứng minh điều đó ngược lại với mong đợi, khi chịu một cú sốc động lực lớn hơn 300.000 lần áp suất khí quyển bình thường, thạch anh trải qua quá trình chuyển đổi sang giai đoạn tinh thể rối loạn mới lạ, có cấu trúc trung gian giữa stishovite hoàn toàn kết tinh và một kính loạn. Tuy nhiên, cấu trúc mới không thể tồn tại một khi áp suất lớn đã giảm xuống.

Tracy kết luận: “Các thí nghiệm nén động đã cho phép chúng tôi đưa cuộc tranh luận lâu đời này đi vào chiều sâu. Hơn nữa, các sự kiện tác động là một phần quan trọng trong việc hiểu sự hình thành, tiến hóa của hành tinh và các cuộc điều tra tiếp tục có thể tiết lộ thông tin mới về các quá trình này”.

Bức ảnh chụp địa điểm thiên thạch va chạm ở hạt Coconino, Arizona. Công trình mới của Carnegie’s Sally June Tracy, các cộng sự Stefan Turneaure của trường Đại học Bang Washington và Thomas Duffy thuộc trường Đại học Princeton cho thấy một dạng silica mới bất ngờ được tạo ra trong điều kiện khắc nghiệt do va chạm gây ra.
Hình ảnh được cung cấp bởi Shutterstock.

Nghiên cứu này được Cơ quan Giảm thiểu Đe dọa Quốc phòng và NSF. Đại học Bang Washington (WSU) đã hỗ trợ thử nghiệm thông qua các giải thưởng từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) / Cơ quan An ninh Hạt nhân Quốc gia (NNSA).

Công việc này dựa trên các thí nghiệm được thực hiện tại Dynamic Compression Sector, do WSU vận hành theo giải thưởng DOE / NNSA. Nghiên cứu này sử dụng các nguồn tài nguyên của Nguồn Photon nâng cao, một Cơ sở Người dùng Khoa học của Bộ Năng lượng do Argonne National điều hành cho Văn phòng Khoa học DOE.

Tạp chí tham khảo

1. Sally June Tracy, Stefan J. Turneaure, Thomas S. Duffy. Đáp ứng cấu trúc của thạch anh α khi nén va chạm với tấm . Tiến bộ Khoa học , 2020; 6 (35): eabb3913 DOI: 10.1126 / sciadv.abb3913