La camera sperimentale presso la stazione Matter in condizioni estreme presso la Linac Coherent Light Source di SLAC. Questa camera è stata utilizzata per un esperimento che studia la trasformazione della silice fusa in stishovite, un minerale duro. Credito:SLAC National Accelerator Laboratory
Gli scienziati di Stanford stanno sfruttando la potenza dei raggi X focalizzati per studiare le trasformazioni subite dalle rocce sotto intenso calore e pressione. La tecnica potrebbe fornire nuove informazioni sugli antichi eventi di impatto di asteroidi come quelli che hanno colpito la Terra primordiale e hanno svolto un ruolo cruciale nella formazione di altri pianeti rocciosi.
"Per la prima volta, possiamo iniziare a svelare la trasformazione ultraveloce di un campione di roccia durante un processo dinamico come la compressione d'urto. Scattando una serie di istantanee, possiamo catturare ciò che sta accadendo durante processi molto rapidi, "dice Wendy Mao, professore associato di scienze geologiche e di scienza dei fotoni.
Utilizzando il laser a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory, Mao e Arianna Gleason, un ricercatore post-dottorato presso il Los Alamos National Laboratory e un ricercatore in visita presso il Mao's Extreme Environments Laboratory, stanno eseguendo esperimenti che consentono loro di assistere alle rapide trasformazioni delle rocce sconvolte.
Primo, usano laser ottici ad alta potenza per surriscaldare una piccola parte di un campione di roccia e creare un plasma. "La parte della roccia colpita dal laser diventa un plasma che viene espulso, e soffia così velocemente da creare un'onda d'urto che viaggia nella direzione opposta, "Spiega Gleason.
Il calore e la compressione generati dall'onda d'urto in movimento modificano la struttura cristallina del campione di roccia rimanente, riorganizzando i suoi atomi in un minerale diverso.
Creazione di stishovite con la luce laser:le bande biancastre che appaiono in questa sequenza compilata di immagini prodotte dai raggi X consentono agli scienziati di identificare l'emergenza ultraveloce della stishovite minerale dopo aver scioccato campioni di silice fusa con un laser ad alta potenza. Il ritardo in questa sequenza è misurato in nanosecondi. Credito:Arianna Gleason/Laboratorio nazionale di Los Alamos
Per illuminare e registrare le proprietà del minerale mutevole, gli scienziati sparano una raffica di raggi X focalizzati da LCLS sul campione appena nanosecondi dopo il primo impulso laser. "I raggi X hanno una lunghezza d'onda giusta per permetterci di misurare le distanze tra gli atomi, " dice Gleason. "In base alla posizione degli atomi, possiamo dire esattamente di che materiale si tratta."
Variando l'orario di arrivo dei raggi X, gli scienziati possono generare una serie di istantanee del minerale mentre cambia nel tempo. La creazione di una serie temporale che rappresenti 50 nanosecondi di cambiamenti nella roccia può richiedere da 6 a 12 ore in laboratorio.
Usando la loro tecnica, Mao e Gleason hanno recentemente dimostrato che il minerale stishovite, un raro, forma estremamente dura e densa di silice, può formarsi in pochi nanosecondi, o miliardesimi di secondo, decine o addirittura centinaia di volte più veloce di quanto si pensasse in precedenza.
"Il comportamento ad alta pressione della silice è stato ampiamente studiato a causa della sua applicazione non solo alla scienza planetaria ma alla fisica fondamentale, anche la chimica e la scienza dei materiali, " Mao dice. "Questo studio fornisce una visione critica del meccanismo alla base del modo in cui le diverse forme di silice si trasformano da una struttura all'altra".
Grappoli naturali di cristalli di quarzo come questi si formano quando le rocce sono sottoposte a una pressione intensa. Gli scienziati dell'Extreme Environments Laboratory stanno usando impulsi a raggi X per creare istantanee della trasformazione. Credito:Università di Stanford
