Con esperimenti ad alta pressione presso la sorgente di luce a raggi X di DESY PETRA III e altre strutture, un gruppo di ricerca intorno a Leonid Dubrovinsky dell'Università di Bayreuth ha risolto un enigma di lunga data nell'analisi dei meteoriti della Luna e di Marte. Lo studio, pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , può spiegare perché diverse versioni di silice possono coesistere nei meteoriti, sebbene normalmente richiedano condizioni molto diverse per formarsi. I risultati significano anche che le precedenti valutazioni delle condizioni in cui si sono formati i meteoriti devono essere riconsiderate attentamente.

Gli scienziati hanno studiato un minerale di biossido di silicio (SiO2) chiamato cristobalite. "Questo minerale è di particolare interesse quando si studiano campioni planetari, come meteoriti, perché questo è il minerale di silice predominante nei materiali extraterrestri, " spiega la prima autrice Ana Černok del Bayerisches Geoinstitut (BGI) dell'Università di Bayreuth, che ora ha sede presso la Open University nel Regno Unito. "La cristobalite ha la stessa composizione chimica del quarzo, ma la struttura è significativamente diversa, " aggiunge il coautore Razvan Caracas del CNRS, ENS di Lione.

Diverso dall'onnipresente quarzo, la cristobalite è relativamente rara sulla superficie terrestre, poiché si forma solo a temperature molto elevate in condizioni speciali. Ma è abbastanza comune nei meteoriti della Luna e di Marte. Espulso da impatti di asteroidi dalla superficie della Luna o di Marte, queste rocce finalmente caddero sulla Terra.

Sorprendentemente, i ricercatori hanno anche trovato il minerale di silice seifertite insieme alla cristobalite nei meteoriti marziani e lunari. La seifertite è stata sintetizzata per la prima volta da Dubrovinsky e colleghi 20 anni fa e ha bisogno di pressioni estremamente elevate per formarsi. "Trovare cristobalite e seifertite nello stesso granello di materiale meteoritico è enigmatico, poiché si formano a pressioni e temperature molto diverse, "sottolinea Dubrovinsky. "Innescato da questa curiosa osservazione, il comportamento della cristobalite alle alte pressioni è stato esaminato da numerosi studi sperimentali e teorici per più di due decenni, ma il puzzle non poteva essere risolto."

Utilizzando gli intensi raggi X di PETRA III al DESY e all'European Synchrotron Radiation Facility ESRF a Grenoble (Francia), gli scienziati potrebbero ora ottenere viste senza precedenti sulla struttura della cristobalite sotto alte pressioni fino a 83 giga-pascal (GPa), che corrisponde a circa 820, 000 volte la pressione atmosferica. "Gli esperimenti hanno mostrato che quando la cristobalite viene compressa in modo uniforme o quasi uniforme, o come si dice, in condizioni idrostatiche o quasi idrostatiche - assume una fase ad alta pressione denominata cristobalite X-I, " spiega la coautrice di DESY Elena Bykova che lavora alla Extreme Conditions Beamline P02.2 a PETRA III, dove si sono svolti gli esperimenti. "Questa fase ad alta pressione ritorna alla normale cristobalite quando la pressione viene rilasciata".

Ma se la cristobalite viene compressa in modo non uniforme in quelle che gli scienziati chiamano condizioni non idrostatiche, si converte inaspettatamente in una struttura simile alla seifertite, come gli esperimenti hanno ora dimostrato. Questa struttura si forma sotto una pressione significativamente inferiore a quella necessaria per formare seifertite dalla silice ordinaria. "I calcoli ab initio confermano la stabilità dinamica della nuova fase fino ad alte pressioni, " dice Caracas. Inoltre rimane stabile anche quando la pressione viene rilasciata. "Questa è stata una sorpresa, " dice Černok. "Il nostro studio chiarisce come la cristobalite spremuta può trasformarsi in seifertite a una pressione molto più bassa del previsto. Perciò, meteoriti che contengono seifertite associata a cristobalite non hanno necessariamente subito impatti massicci." Durante un impatto, la propagazione dell'onda d'urto attraverso la roccia può creare schemi di sollecitazione molto complessi anche con aree di intersezione di materiali compressi idrostaticamente e non idrostaticamente, in modo che diverse versioni di silice possano formarsi nello stesso meteorite.

"Questi risultati hanno implicazioni immediate per lo studio dei processi di impatto nel sistema solare, " sottolinea Dubrovinsky. "Essi forniscono una chiara evidenza che né la cristobalite né la seifertite dovrebbero essere considerate traccianti affidabili delle condizioni di picco di shock subite dai meteoriti". compressione idrostatica, come spiega Dubrovinsky. "Per le scienze dei materiali i nostri risultati suggeriscono un meccanismo aggiuntivo per la manipolazione delle proprietà dei materiali:oltre a pressione e temperatura, diverse forme di stress possono portare a un comportamento completamente diverso della materia solida".