Diese mysteriösen, äußerst seltenen Kristalle haben sich wahrscheinlich im Weltraum gebildet

Quasikristalle sind ungewöhnliche Materialien, in denen die Atome in regelmäßigen Mustern angeordnet sind, die sich jedoch nie wiederholen. Die meisten werden im Labor von Menschenhand hergestellt. Bisher wurde nur ein Fall von natürlich vorkommenden Quasikristallen gefunden. Und jetzt glauben Physiker, sie haben herausgefunden, wie das passiert ist.

In einem heute in den Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlichten Artikel beschreiben Paul Asimow von Caltech und seine Co-Autoren , wie die Exposition bestimmter seltener Materialien gegenüber extrem starken Stoßwellen Quasikristalle erzeugt. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass sich bei Kollisionen im Asteroidengürtel Quasikristalle in felsigen Körpern bilden können, bevor sie als Meteoriten auf die Erde fallen.

Was macht Quasikristalle so besonders? Kristalle werden normalerweise durch ihre genau geordneten Atome definiert, die periodische Muster bilden, die sich innerhalb einer Gitterstruktur (Wabenstruktur) immer wieder wiederholen. Die Zellen von Quasikristallen wiederholen sich jedoch nicht in einem identischen Muster. In benachbarten Zellen gibt es kleine Unterschiede. Und doch folgen sie klaren mathematischen Regeln, ähnlich der berühmten Fibonacci-Sequenz , bei der jede Zahl die Summe der beiden vorangegangenen Zahlen ist (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21 usw.).

Sie können diese Art von Muster zum Beispiel in den wunderschönen mittelalterlichen Mosaiken des Alhambra-Palastes in Spanien sehen. Denken Sie daran, einen Badezimmerboden zu verfliesen, indem Sie nur Fliesen in Form von Dreiecken, Quadraten oder Sechsecken verwenden. Es darf keine Lücken oder überlappenden Kacheln geben, was bedeutet, dass beispielsweise die Fünf-Punkte-Symmetrie eines Fünfecks einfach nicht funktioniert. Außer anscheinend kann es, wenn es eine Möglichkeit gibt, die Lücken mit anderen atomaren Formen zu füllen, um den ganzen Schebang zusammenzuhalten.

Quasikristalle wurden erstmals 1982 vom israelischen Physiker Daniel Schechtman (damals am Technion-Israel Institute of Technology) entdeckt, der eine Probe einer Aluminium-Mangan-Legierung unter einem Elektronenmikroskop untersuchte und dieses verräterische seltsame aperiodische Muster bemerkte. " Eyn chaya kao (" es kann keine solche Kreatur geben ")", murmelte er auf Hebräisch vor sich hin. Doch da war es.

"Die Regeln der Kristallographie gibt es seit 1820", sagte Asimow zu Gizmodo. "Sie waren also völlig unerwartet, als sie entdeckt wurden."

Der arme Schechtman ertrug viel Spott von seinen Kollegen - der Leiter seines Labors riet ihm sarkastisch, sein Kristallographie-Lehrbuch noch einmal zu lesen - und wurde sogar gebeten, seine Forschungsgruppe irgendwann zu verlassen , aber er bekam das letzte Lachen. Seine Entdeckung löste eine Revolution in der Kristallographie aus und er gewann 2011 den Nobelpreis für Chemie . Seitdem wurden in Labors auf der ganzen Welt mehr als 100 verschiedene Arten von Quasikristallen hergestellt. Sie werden unter anderem in Antihaft-Kochgeschirr, LED-Leuchten und chirurgischen Instrumenten verwendet.

Aber niemand hatte einen natürlich vorkommenden Quasikristall gefunden, bis der Princeton-Physiker Paul Steinhardt 2007 beim Durchsuchen der Museumssockelsammlungen auf einen stieß. Er verfolgte es bis zu einem Meteoriten, der in den Koryak-Bergen in Russland landete und dort sogar eine Expedition unternahm, um weitere Quasikristallproben zu finden. Er schloss daraus, dass Quasikristalle buchstäblich aus dem Weltraum kamen.

Für Asimow warf dieser erstaunliche Fund zwei Schlüsselfragen auf. Erstens, wie können sich Quasikristalle überhaupt in der Natur bilden? Und zweitens, warum sind sie so wahnsinnig selten? Er bekam seinen ersten Hinweis, als Steinhardt erwähnte, dass er einige seltsame Texturen (in Form von Eisenmetallperlen) in den Körnern des Khatyrka-Meteoriten gefunden hatte. Er fand, dass sie den Arten von Texturen sehr ähnlich sahen, die sich bei Schockkompressionsexperimenten in Materialien bildeten.

Schockkompression ist, wenn Wissenschaftler Materialproben in eine spezielle Stahlkammer legen und ein Projektil darauf abfeuern, wodurch sie unglaublich hohen Drücken ausgesetzt werden. Auf diese Weise können Sie untersuchen, wie sich diese Materialien in extremen Umgebungen verhalten.

Steinhardts Hypothese schien plausibel, da Wissenschaftler bereits festgestellt hatten, dass der Khatyrka-Meteorit lange vor seinem Fall auf die Erde einem Schockereignis ausgesetzt war - höchstwahrscheinlich aufgrund einer Kollision mit einem anderen Objekt im Asteroidengürtel in den frühen Tagen unseres Sonnensystems. Also nahm Asimow eine Probe einer Kupfer-Aluminium-Legierung - ähnlich zusammengesetzt wie der im Meteoriten gefundene Ikosaeder -, legte sie in die Kammer und schockte sie mit einer Tantalkapsel, um das Äquivalent von 200.000 Atmosphären zu erzeugen.

Und voila! Als er und seine Kollegen die Probe anschließend analysierten, beobachteten sie das verräterische Muster eines Quasikristalls - jetzt mit zusätzlichem Eisen in der Kupfer-Aluminium-Legierung.

"Wir wussten, dass der Meteorit geschockt war, wir spekulierten, dass der Schock die magische Zutat sein könnte, die Sie brauchten, und es funktionierte, als wir es zum ersten Mal versuchten", sagte Asimow. "Das deutet darauf hin, dass es möglicherweise nicht so schwierig ist [natürlich vorkommende Quasikristalle herzustellen], wenn Sie die richtigen Ausgangsmaterialien und einen Schock von ungefähr der richtigen Stärke haben."

Seine Ergebnisse liefern einen grundlegenden Mechanismus, obwohl die genauen Details, wann genau sich die Quasikristalle während der Stoßkompression gebildet haben, noch nicht entdeckt wurden. Asimow vermutet, dass Quasikristalle in freier Wildbahn so selten vorkommen, was teilweise auf die Seltenheit dieser Kupfer-Aluminium-Legierung zurückzuführen ist. Es kommt in keinem anderen bisher untersuchten Meteoriten vor, und dies sind zwei Metalle mit sehr unterschiedlichem chemischem Verhalten, die normalerweise nicht zusammen gefunden werden.

Das heißt aber nicht, dass andere solche Meteoriten nicht existieren. Früher waren die Weltraumfelsen bis in die 1970er Jahre recht selten, heute sind es Tausende, und es werden immer mehr gesammelt. Die besten Orte für die Jagd auf Meteoriten sind die Antarktis und die Sahara, wo die schwarzen Felsen leicht gegen den weißen Schnee bzw. den leichteren Sand zu erkennen sind.

Asimow verfeinert nun seine eigenen Experimente, teilweise um festzustellen, woher die Eisenspuren stammen. In seinem ersten Experiment hat er bereits zwei weitere Kontrollexperimente durchgeführt, um potenzielle Eisenquellen zu entfernen - wahrscheinlich die Tantalkapsel. Er hat die Daten noch nicht analysiert, erwartet jedoch, dass sie keine Quasikristalle bilden. Und dann wird er zahlreiche Variationen seines ursprünglichen Experiments durchführen, um die genauen Bedingungen zu ermitteln, unter denen sich Quasikristalle auf natürliche Weise bilden können.

Im Moment ist er froh, dass sein erster Versuch seine ersten Fragen beantwortet hat. "Es erklärt den Mechanismus zur Herstellung natürlicher Quasikristalle und warum wir keine anderen gefunden haben", sagte Asimow. „Wir haben ein einzigartiges Ausgangsmaterial und eine einzigartige Umgebung. Das größte Rätsel ist nun, warum dieser Meteorit überhaupt Kupfer-Aluminium-Legierungen enthielt. “

[ Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften ]