Quando un meteorite sfreccia nell'atmosfera e si schianta sulla Terra, in che modo il suo impatto violento altera i minerali trovati nel sito di atterraggio? Cosa possono insegnare agli scienziati le fasi chimiche di breve durata create da questi impatti estremi sui minerali esistenti nelle condizioni di alta temperatura e pressione che si trovano nelle profondità del pianeta?

Un nuovo lavoro condotto da Sally June Tracy di Carnegie ha esaminato la struttura cristallina del quarzo minerale di silice sotto compressione d'urto e sta sfidando ipotesi di vecchia data su come questo materiale onnipresente si comporta in condizioni così intense. I risultati sono pubblicati in Progressi scientifici .

"Il quarzo è uno dei minerali più abbondanti nella crosta terrestre, trovato in una moltitudine di diversi tipi di roccia, " spiegò Tracy. "In laboratorio, possiamo imitare l'impatto di un meteorite e vedere cosa succede".

Tracy e i suoi colleghi:Stefan Turneaure della Washington State University (WSU) e Thomas Duffy della Princeton University, un ex Carnegie Fellow - usava una speciale pistola a gas simile a un cannone per accelerare i proiettili in campioni di quarzo a velocità estremamente elevate - molte volte più velocemente di un proiettile sparato da un fucile. Sono stati utilizzati speciali strumenti a raggi X per discernere la struttura cristallina del materiale che si forma in meno di un milionesimo di secondo dopo l'impatto. Gli esperimenti sono stati condotti presso il Settore Compressione Dinamica (DCS), che è gestito da WSU e situato presso l'Advanced Photon Source, Laboratorio Nazionale Argonne.

Il quarzo è costituito da un atomo di silicio e due atomi di ossigeno disposti in una struttura reticolare tetraedrica. Poiché questi elementi sono comuni anche nel mantello ricco di silicati della Terra, scoprire i cambiamenti che il quarzo subisce in condizioni di alta pressione e temperatura, come quelli che si trovano all'interno della Terra, potrebbe anche rivelare dettagli sulla storia geologica del pianeta.

Quando un materiale è sottoposto a pressioni e temperature estreme, la sua struttura atomica interna può essere rimodellata, facendo cambiare le sue proprietà. Per esempio, sia la grafite che il diamante sono realizzati in carbonio. Ma grafite, che si forma a bassa pressione, è morbido e opaco, e diamante, che si forma ad alta pressione, è super duro e trasparente. Le diverse disposizioni degli atomi di carbonio determinano le loro strutture e le loro proprietà, e questo a sua volta influenza il modo in cui ci impegniamo e li usiamo.

Nonostante decenni di ricerche, c'è stato un dibattito di lunga data nella comunità scientifica su quale forma assumerebbe la silice durante un evento di impatto, o in condizioni di compressione dinamica come quelle utilizzate da Tracy e dai suoi collaboratori. Sotto carico d'urto, si presume spesso che la silice si trasformi in una forma cristallina densa nota come stishovite, una struttura che si ritiene esista nelle profondità della Terra. Altri hanno sostenuto che a causa della rapida scala temporale dello shock il materiale adotterà invece un denso, struttura vetrosa.

Tracy e il suo team sono stati in grado di dimostrare che, contrariamente alle aspettative, quando sottoposto a uno shock dinamico superiore a 300, 000 volte la normale pressione atmosferica, il quarzo subisce una transizione verso una nuova fase cristallina disordinata, la cui struttura è intermedia tra la stishovite completamente cristallina e un vetro completamente disordinato. Però, la nuova struttura non può durare una volta che l'esplosione dell'intensa pressione si è placata.

"Gli esperimenti di compressione dinamica ci hanno permesso di mettere a tacere questo dibattito di lunga data, " Concluse Tracy. "Inoltre, gli eventi di impatto sono una parte importante della comprensione della formazione e dell'evoluzione planetaria e indagini continue possono rivelare nuove informazioni su questi processi".