La coesite est un polymorphe de silice qui ne se forme que sous une pression extrêmement élevée—10, 000 fois plus, en moyenne, que la pression atmosphérique normale. La présence de coésite indique soit que le matériau a poussé à travers la croûte terrestre depuis le manteau, ou qu'une comète, un météore ou une météorite a frappé le site. La coesite peut également être créée lors d'explosions nucléaires.

Le mécanisme de transformation de la silice (SiO2) en coesite est mal compris par la communauté scientifique. Il a maintenant été élucidé par simulation atomistique par ordinateur dans une étude menée par des chercheurs affiliés à l'Université de São Paulo (USP) au Brésil, l'Académie chinoise des sciences à Hefei, Chine, et le Centre international Abdus Salam de physique théorique à Trieste, Italie.

L'article, "Plusieurs voies dans la transition de phase induite par la pression de la coesite, " a été publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

"La coesite est du dioxyde de silicium. Sa composition chimique est la même que celle du quartz. La différence est que la haute pression déstructure le réseau cristallin caractéristique du quartz et comprime les atomes de silicium et d'oxygène en un système amorphe. Le résultat est un verre à haute densité. Une fois que la pression a dépassé un certain seuil, le processus d'amorphisation devient irréversible et le matériau ne peut plus revenir à une configuration cristalline, " a déclaré Caetano Rodrigues Miranda, professeur à l'Institut de physique de l'Université de São Paulo (IF-USP) et auteur principal de l'article.

Il existe des applications commerciales des résultats, mais pour l'instant, l'intérêt principal est de les utiliser comme marqueurs de scénarios anticycloniques. "Coesite est la 'signature' caractéristique de ces scénarios, " dit Miranda.

Dans l'étude, les chercheurs ont résolu les divergences qui existaient en ce qui concerne la transformation de la coesite en d'autres phases (une phase octaédrique à haute pression, coesite-II et coesite-III) et sont arrivés à un modèle cohérent avec les données d'observation. Ils ont également décrit les mécanismes moléculaires associés à ces transformations. "Il serait très difficile de reproduire en laboratoire les conditions de haute pression trouvées dans le manteau terrestre, " a déclaré Miranda. " Nous avons utilisé une simulation informatique, décrire les interactions entre les atomes de la manière la plus réaliste possible, et cartographie, pas à pas, les transformations résultant des changements de pression."

La meilleure façon de suivre cette évolution est via l'effet Raman, observé expérimentalement en 1928 par le physicien indien Chandrasekhara Venkata Raman (1888-1970). L'effet Raman est lié à la diffusion inélastique de la lumière par la matière. Lorsqu'un échantillon est excité par une impulsion laser, la plupart des photons sont diffusés élastiquement, c'est à dire., à la même fréquence que les photons incidents, par les molécules ou les atomes du matériau. Cependant, une petite partie des photons diffuse de manière inélastique, généralement à une fréquence plus basse. L'analyse de cette diffusion inélastique au moyen de la spectroscopie Raman détermine la composition et la structure du matériau. "On pourrait dire qu'il fournit l'empreinte digitale du matériau, " dit Miranda.

Les chercheurs ont effectué des simulations de dynamique moléculaire du spectre Raman pour les différentes structures de coesite sous diverses pressions. Ils ont obtenu des corrélations entre la structure du matériau et la pression extérieure, cartographier étape par étape les multiples chemins de la transformation de la coesite jusqu'à ce qu'elle soit complètement amorphisée, ou ceux dans les phases cristallines de silice sous haute pression.

"Chaque structure présente un motif très caractéristique dans le spectre Raman, " dit Miranda. " Comme la structure change en raison de la variation de pression, ce modèle change également. Et cela nous permet de savoir quelles structures sont présentes et comment elles se transforment sous pression. Une comparaison avec des résultats expérimentaux valide le modèle adopté.

"Longueurs et angles de liaison, ainsi que les modes vibrationnels atomiques, sont des variables fournies par la procédure. Bien qu'il s'agisse d'une structure amorphe et d'une configuration beaucoup moins régulière que le quartz, par exemple, qui est cristallin, coesite a une empreinte caractéristique en spectroscopie Raman.

"Dans un cristal, les distances entre les atomes du réseau et les angles faits par les segments liant les différents atomes sont toujours les mêmes. Cela produit un pic clairement défini dans le spectrogramme. Au fur et à mesure que le matériau s'amorphe, le pic se transforme en un plateau allongé."

Une étude intéressante réalisée par Miranda en parallèle consistait en la "sonification" des données spectrales collectées. Dans ce cas, « sonification » impliquait de convertir les hautes fréquences caractéristiques de la lumière en basses fréquences typiques du son. "La sonification vous permet d'utiliser l'ouïe au lieu de la vue pour analyser les données. Du point de vue scientifique, l'avantage de cette procédure est que lorsque vous entendez des sons, vous pouvez identifier plus précisément de petites variations ou des données plus complexes. Ils sont plus faciles à entendre qu'à voir. En outre, il y a un avantage du point de vue artistique :la musique peut être composée à partir des fragments sonores obtenus. Ainsi un pont peut être construit entre la science et l'art, " dit Miranda (cliquez pour entendre l'audio).

La découverte de coesite dans le cratère de Chicxulub sous la péninsule du Yucatan au Mexique était une preuve significative que cette formation géologique résultait de l'impact d'une comète ou d'un gros astéroïde. Le cratère circulaire a un diamètre de plus de 180 km, et est enterré profondément sous la surface de la péninsule. Il a été découvert à la fin des années 1970 par Antonio Camargo (Mexique) et Glen Penfield (États-Unis), géophysiciens qui cherchaient du pétrole. En 1990, Penfield a obtenu des échantillons de roche formée sous haute pression qui ont suggéré qu'il s'agissait d'une caractéristique d'impact.

En 2016, les scientifiques ont foré des centaines de mètres sous le fond de l'océan dans l'anneau de pointe du cratère, l'obtention d'échantillons de coesite et d'autres roches, et pratiquement clos le débat en fournissant des preuves solides qu'il s'agissait bien d'un cratère d'impact.

L'impact qui a produit le cratère était deux millions de fois plus puissant que le plus gros engin nucléaire jamais testé, une bombe à hydrogène de 58 mégatonnes connue sous le nom de Tsar Bomba, explosé par l'Union soviétique en 1961.

La date de l'impact, estimé à un peu moins de 66 millions d'années, converge avec l'hypothèse selon laquelle le dérèglement climatique mondial au cours de cette période a provoqué une extinction massive au cours de laquelle 75 pour cent des espèces végétales et animales de la Terre se sont soudainement éteintes, y compris tous les dinosaures non aviaires. L'impact aurait provoqué un méga-tsunami et une onde de choc colossale, suivi de tremblements de terre, éruptions volcaniques, feux de forêt et autres phénomènes à l'échelle mondiale, y compris un nuage de poussières et d'aérosols couvrant toute la planète pendant plus d'une décennie.