Bentuk Silika pada Peristiwa Benturan dengan tekanan dan suhu ekstrem

Ada perdebatan lama dikalangan komunitas ilmiah tentang wujud silika pada peristiwa benturan dengan tekanan yang kuat, penelitian baru ini mungkin akan membuat kesepakatan baru.

Penelitian baru yang dipimpin oleh Sally June Tracy dari Carnegie meneliti struktur kristal kuarsa mineral silika di bawah kompresi guncangan dan menantang asumsi lama tentang bagaimana bahan yang ada di mana-mana ini berperilaku dalam kondisi yang begitu intens. Hasilnya dipublikasikan di Science Advances.

“Kuarsa adalah salah satu mineral paling melimpah di kerak bumi, ditemukan di banyak jenis batuan yang berbeda,” jelas Tracy. “Di lab, kami dapat meniru tabrakan meteorit dan melihat apa yang terjadi.”

Tracy dan rekan-rekannya – Stefan Turneaure dari Universitas Negeri Washington (WSU) dan Thomas Duffy dari Universitas Princeton, mantan anggota Carnegie Fellow – menggunakan senjata gas seperti meriam khusus untuk mempercepat proyektil menjadi sampel kuarsa dengan kecepatan yang sangat tinggi – beberapa kali lebih cepat daripada peluru yang ditembakkan dari senapan. Instrumen sinar-X khusus digunakan untuk melihat struktur kristal bahan yang terbentuk kurang dari sepersejuta detik setelah tumbukan. Eksperimen dilakukan di Dynamic Compression Sector (DCS), yang dioperasikan oleh WSU dan berlokasi di Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory.

Kuarsa terdiri dari satu atom silikon dan dua atom oksigen yang disusun dalam struktur kisi tetrahedral. Karena unsur-unsur ini juga umum di mantel Bumi yang kaya silikat, menemukan perubahan yang dialami kuarsa pada tekanan tinggi dan kondisi suhu, seperti yang ditemukan di bagian dalam Bumi, juga dapat mengungkapkan detail tentang sejarah geologi planet.

Ketika suatu material mengalami tekanan dan suhu yang ekstrim, struktur atom internalnya dapat dibentuk kembali, menyebabkan sifat-sifatnya bergeser. Misalnya, grafit dan intan terbuat dari karbon. Tetapi grafit, terbentuk pada tekanan rendah, lunak dan buram, dan intan, yang terbentuk pada tekanan tinggi, sangat keras dan transparan. Pengaturan atom karbon yang berbeda menentukan struktur dan sifatnya, dan pada gilirannya memengaruhi cara kita menggunakan dan menggunakannya.

Terlepas dari penelitian puluhan tahun, ada perdebatan lama di komunitas ilmiah tentang apa bentuk silika selama peristiwa benturan, atau dalam kondisi kompresi dinamis seperti yang diterapkan oleh Tracy dan kolaboratornya. Di bawah beban kejutan, silika sering diasumsikan berubah menjadi bentuk kristal padat yang dikenal sebagai stishovite struktur yang diyakini ada di dalam Bumi. Yang lain berpendapat bahwa karena skala waktu guncangan yang cepat, material tersebut malah akan mengadopsi struktur kaca yang padat.

Tracy dan timnya mampu mendemonstrasikan hal itu berlawanan dengan ekspektasi, ketika mengalami guncangan dinamis lebih dari 300.000 kali tekanan atmosfer normal, kuarsa mengalami transisi ke fase kristal tidak teratur baru, yang strukturnya adalah perantara antara stishovite kristal penuh dan sepenuhnya kaca tidak teratur. Namun, struktur baru tidak dapat bertahan setelah ledakan tekanan yang kuat mereda.

“Eksperimen kompresi dinamis memungkinkan kami untuk mengakhiri debat yang telah berlangsung lama ini,” Tracy menyimpulkan. “Terlebih lagi, peristiwa benturan adalah bagian penting dari pemahaman pembentukan dan evolusi planet, dan penyelidikan lanjutan dapat mengungkap informasi baru tentang proses ini.”

Penelitian ini didukung oleh Defense Threat Reduction Agency dan NSF. Washington State University (WSU) memberikan dukungan eksperimental melalui penghargaan dari U.S. Department of Energy (DOE) / National Nuclear Security Agency (NNSA).

Pekerjaan ini didasarkan pada eksperimen yang dilakukan di Sektor Kompresi Dinamis, yang dioperasikan oleh WSU di bawah penghargaan DOE / NNSA. Penelitian ini menggunakan sumber daya Sumber Foton Lanjutan, Departemen Energi Kantor Fasilitas Pengguna Sains yang dioperasikan untuk DOE Kantor Sains oleh Argonne National.

Jurnal Refrensi:

• Sally June Tracy, Stefan J. Turneaure, Thomas S. Duffy. 2020. Structural response of α-quartz under plate-impact shock compression. Science Advances, 2020; 6 (35): eabb3913 DOI: 10.1126/sciadv.abb3913