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15.11.2018
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Kristalline Überraschung

Hochdruck-Experimente enthüllen neue Form von Siliziumdioxid

Bei Hochdruck-Experimenten mit dem Mineral Coesit hat ein internationales Forscherteam zwei unerwartete Formen von Siliziumdioxid mit einer ungewöhnlichen Kristallstruktur entdeckt. Die Beobachtung könnte direkten Einfluss sowohl auf das wissenschaftliche Bild von flüssigen Silikaten tief im Erdinneren haben, als auch auf Theorien zur Entstehung von Planeten, wie das Team unter Leitung von DESY-Forscherin Elena Bykova im Fachblatt „Nature Communications“ berichtet.

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Die neu entdeckten Hochdruck-Varianten des Minerals könnten das Bild von der Geochemie der Silikatschmelzen im Erdinneren grundlegend verändern. Bild: DESY, Elena Bykova
Coesit ist eine seltene Hochdruckvariante von gewöhnlichem Siliziumdioxid (SiO2), die sich auf der Erdoberfläche manchmal in Gesteinen findet, die von einem Meteoriteneinschlag getroffen wurden. Unter Hochdruck-Bedingungen wie im Erdinneren ist das Mineral häufiger. Um seine Kristallstruktur unter sehr hohem Druck zu untersuchen, setzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen 0,03 Millimeter kleinen Coesit-Kristall dem bis zu 700 000-fachen Atmosphärendruck aus und durchleuchteten ihn dabei mit hellem Röntgenlicht. Der Kristall streut die Röntgenstrahlung auf eine charakteristische Weise, aus der sich seine innere Struktur berechnen lässt.

Die Versuche an der „Extreme Conditions Beamline“ (P02.2) an DESYs Forschungslichtquelle PETRA III lieferten ein überraschendes Ergebnis: Statt des bei Coesit üblichen Gerüsts aus Tetraedern enthüllten die Experimente unter Hochdruck zwei zuvor unbekannte Varianten, Coesit-IV und Coesit-V, die aus einer Mischung von Tetraedern, Oktaedern und verschiedenen Polyedern bestehen. Letztere sind aus je einem Siliziumatom und fünf Sauerstoffatomen aufgebaut. Ein derartiges Strukturelement wurde in keiner Siliziumdioxidvariante zuvor beobachtet.

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Kristallstruktur von Coesit-IV (links) und Coesit-V oberhalb des 300 000-fachen Atmosphärendrucks. Si2- und Si7-Oktaeder sind an den Flächen verbunden. Bild: DESY, Elena Bykova
Darüber hinaus enthalten die neu entdeckten Coesit-Varianten Silizium-Oktaeder, die an den Flächen verbunden sind – ein Strukturelement, das nach den Regeln der klassischen Kristallchemie normalerweise „verboten“ ist und ebenfalls niemals zuvor in Siliziumdioxidverbindungen, Silikaten oder Gläsern beobachtet worden war. „Es dauerte ein Jahr, die Analysen zu verifizieren, einschließlich erneuter Messungen an anderen Synchrotronquellen in verschiedenen Ecken der Welt, um zu bestätigen, dass die bestimmte Struktur korrekt ist“, sagt Bykova. Kontrollmessungen fanden an der Europäischen Synchrotron-Strahlungsquelle ESRF im französischen Grenoble statt sowie an der Advanced Photon Source APS in Chicago (USA).

Die Forscher taten sich außerdem mit der Theoriegruppe von Igor Abrikosov an der Russischen Nationalen Universität für Wissenschaft und Technologie in Moskau sowie an der Universität Linköping in Schweden zusammen, in der die Stabilität der neuen Coesit-Varianten berechnet wurde. Diese theoretischen Berechnungen untermauern die experimentellen Ergebnisse, allerdings hätten sich die entdeckten Strukturen nicht einfach aus der Theorie vorhersagen lassen, wie Abrikosov betont.

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Einer der untersuchten Coesit-Kristalle unter dem Mikroskop. Bild: DESY, Elena Bykova
Für beide Varianten, Coesit-IV und Coesit-V, berechneten die Forscher die sogenannten radialen Verteilungsfunktionen, die die Verteilung der Abstände zwischen den Atomen beschreiben. Diese Funktionen ähneln stark den experimentell bestimmten Daten für komprimiertes Quarzglas, die andere Forscher kürzlich veröffentlicht haben. Daher können die Ergebnisse dieser Analysen auch für andere Silikate und Siliziumdioxidminerale von Bedeutung sein. Der in den Experimenten an PETRA III benutzte Druck entspricht Bedingungen im Erdmantel.

„Wenn es in den flüssigen Silikaten im unteren Erdmantel Strukturen mit Oktaedern gibt, die an den Flächen verbunden sind, macht dies Siliziumdioxidschmelzen kompressibler als bislang gedacht“, erläutert Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut in Bayreuth, der die Arbeiten betreut hat.

Unübliche Strukturelemente wie die SiO5-Polyeder und die flächenverbundenen Oktaeder in Silikatschmelzen würden deren Dichte verringern und die Schallgeschwindigkeit um etwa zehn Prozent sinken lassen. Falls Silikatschmelzen mit diesen Eigenschaften im unteren Erdmantel existieren, sollten sie sich seismisch nachweisen lassen, sagt Dubrovinsky. „Unerwartete Siliziumdioxidformen könnten unser Bild von der Struktur von Silikatschmelzen unter sehr hohen Drücken und Temperaturen völlig umwerfen, was direkte Konsequenzen für die Theorie der Planetenentstehung und der geochemischen Evolution hätte.“

 

Originalarbeit:
Metastable silica high pressure polymorphs as structural proxies of deep Earth silicate melts; E. Bykova, M. Bykov, A. Černok, J. Tidholm, S. I. Simak, O. Hellman, M.P. Belov, I. A. Abrikosov, H.-P. Liermann, M. Hanfland, V. B. Prakapenka, C. Prescher, N. Dubrovinskaia, L. Dubrovinsky; „Nature Communications“, 2018; DOI: 10.1038/s41467-018-07265-z