Images de diffraction des rayons X montrant la nouvelle forme de silice créée en envoyant une onde de choc intense à travers un échantillon de quartz à l'aide d'un pistolet à gaz spécialisé. Lorsque les rayons X rebondissent sur des plans répétitifs d'une structure cristalline, ils se dispersent. Cela crée un motif de sonnerie distinctif. Chaque anneau est associé à un plan différent et, ensemble, ces données peuvent renseigner les chercheurs sur l'architecture au niveau atomique du matériau. Crédit :Sally June Tracy, Stefan Turneaure, et Thomas Duffy.
Lorsqu'une météorite traverse l'atmosphère et s'écrase sur Terre, comment son impact violent altère-t-il les minéraux trouvés sur le site d'atterrissage ? Qu'est-ce que les phases chimiques de courte durée créées par ces impacts extrêmes peuvent enseigner aux scientifiques sur les minéraux existant dans les conditions de température et de pression élevées trouvées au plus profond de la planète ?
De nouveaux travaux dirigés par Sally June Tracy de Carnegie ont examiné la structure cristalline du quartz minéral de silice sous compression de choc et remettent en question les hypothèses de longue date sur le comportement de ce matériau omniprésent dans des conditions aussi intenses. Les résultats sont publiés dans Avancées scientifiques .
"Le quartz est l'un des minéraux les plus abondants dans la croûte terrestre, trouvé dans une multitude de types de roches différents, " expliqua Tracy. " Au labo, nous pouvons imiter un impact de météorite et voir ce qui se passe."
Tracy et ses collègues — Stefan Turneaure de l'Université d'État de Washington (WSU) et Thomas Duffy de l'Université de Princeton, un ancien Carnegie Fellow - a utilisé un pistolet à gaz spécialisé semblable à un canon pour accélérer les projectiles dans des échantillons de quartz à des vitesses extrêmement élevées - plusieurs fois plus vite qu'une balle tirée d'un fusil. Des instruments spéciaux à rayons X ont été utilisés pour discerner la structure cristalline du matériau qui se forme moins d'un millionième de seconde après l'impact. Des expérimentations ont été menées au Secteur de la Compression Dynamique (DCS), qui est exploité par WSU et situé à la source avancée de photons, Laboratoire National d'Argonne.
Le quartz est composé d'un atome de silicium et de deux atomes d'oxygène disposés dans une structure en réseau tétraédrique. Parce que ces éléments sont également communs dans le manteau riche en silicates de la Terre, découvrir les changements que subit le quartz dans des conditions de haute pression et de température, comme ceux que l'on trouve à l'intérieur de la Terre, pourrait également révéler des détails sur l'histoire géologique de la planète.
Lorsqu'un matériau est soumis à des pressions et températures extrêmes, sa structure atomique interne peut être remodelée, provoquant le déplacement de ses propriétés. Par exemple, le graphite et le diamant sont tous deux fabriqués à partir de carbone. Mais le graphite, qui se forme à basse pression, est doux et opaque, et diamant, qui se forme à haute pression, est super dur et transparent. Les différents arrangements des atomes de carbone déterminent leurs structures et leurs propriétés, et cela affecte à son tour la façon dont nous nous engageons avec eux et les utilisons.
Malgré des décennies de recherche, il y a eu un débat de longue date dans la communauté scientifique sur la forme que prendrait la silice lors d'un événement d'impact, ou dans des conditions de compression dynamique telles que celles déployées par Tracy et ses collaborateurs. Sous charge de choc, la silice est souvent supposée se transformer en une forme cristalline dense connue sous le nom de stishovite, une structure qui existerait dans les profondeurs de la Terre. D'autres ont fait valoir qu'en raison de l'échelle de temps rapide du choc, le matériau adoptera plutôt un matériau dense, structure vitreuse.
Tracy et son équipe ont pu démontrer que, contrairement aux attentes, lorsqu'il est soumis à un choc dynamique supérieur à 300, 000 fois la pression atmosphérique normale, le quartz subit une transition vers une nouvelle phase cristalline désordonnée, dont la structure est intermédiaire entre la stishovite totalement cristalline et un verre totalement désordonné. Cependant, la nouvelle structure ne peut plus durer une fois que l'explosion de pression intense s'est calmée.
"Les expériences de compression dynamique nous ont permis de clore ce débat de longue date, " Tracy a conclu. " De plus, les événements d'impact sont une partie importante de la compréhension de la formation et de l'évolution planétaire et des enquêtes continues peuvent révéler de nouvelles informations sur ces processus. »
