Magnezijev oksid važan je sastojak minerala u Zemljinu plaštu i polazište za proučavanje unutrašnjosti mnogo većih planeta. No kada su ga fizičari u laboratoriju izlagali golemom tlaku i temperaturama od više tisuća stupnjeva, mjerenja se godinama nisu uklapala u očekivanja. Novi pokusi pokazuju što je u tim usporedbama nedostajalo: smjer iz kojeg udarni val stišće kristal.
U tako ekstremnim uvjetima orijentacija kristala mogla bi se činiti nevažnom pojedinošću. Pokazalo se suprotno. Isti materijal može se preobraziti različitim putovima, ovisno o tome prolazi li udarni val okomito na plohu kristala ili duž jedne od njegovih dijagonala.
Tim iz Nacionalnog laboratorija Lawrence Livermore i Sveučilišta Johns Hopkins objavio je rezultate u časopisu Physical Review X. Prema opisu voditelja istraživanja Raymonda Smitha, rad zaključuje gotovo dvanaest godina nastojanja da se objasne neslaganja između pokusa i teorijskih predviđanja.
Isti kristal, tri smjera stiskanja
U običnim uvjetima atomi magnezijeva oksida, kemijske formule MgO, tvore kubičnu kristalnu strukturu. Pri dovoljno visokom tlaku mogu se presložiti u gušću strukturu, a uz daljnje zagrijavanje materijal prelazi u tekuće stanje. Gdje će se te promjene dogoditi važno je za izračune svojstava tvari duboko ispod površine planeta.
Istraživači su male kristale izložili snažnim laserskim impulsima u postrojenju Omega EP pri Sveučilištu Rochester. Laser pokreće udarni val koji uzorak vrlo brzo stisne i zagrije. Usporedili su tri orijentacije: smjer okomit na plohu zamišljene kocke, dijagonalu te plohe i prostornu dijagonalu kroz kocku.
Istodobno su pratili brzinu udarnog vala, optičke pokazatelje temperature i raspršenje rendgenskog zračenja. Posljednja metoda otkriva raspored atoma u uzorku, pa omogućuje provjeru nastaje li nova kristalna struktura. Sam podatak o temperaturi ne bi bio dovoljan da se razluči što se događa u materijalu.
Što su ranija mjerenja propuštala
Kada se udarni val širio prostornom dijagonalom kristala, preobrazba je slijedila očekivani redoslijed: iz početne uređene strukture u gušću kristalnu fazu, a zatim u tekućinu. Pri drugim orijentacijama signali su upućivali na složeniji prijelaz.
Na čelu udarnog vala nakratko je nastajao vrlo tanak neuređeni sloj, dok su iza njega rasli kristali nove strukture. Takav kratkotrajan poremećaj atomskog rasporeda pomaže materijalu da se prilagodi naglom stiskanju. Njegov trag može izgledati drukčije ovisno o tome koji dio uzorka instrument mjeri.
Optička mjerenja prate vrlo tanak sloj na samom čelu vala, dok rendgensko zračenje ispituje veći dio materijala iza njega. Povezivanjem tih podataka tim je mogao objasniti zašto su različita mjerenja naizgled davala proturječne rezultate.
Pokusi ujedno pokazuju zašto se laboratorijsko stiskanje udarnim valom ne može bez provjere izjednačiti s postupnim, ravnomjernim povećavanjem tlaka. Brzina preobrazbe i smjer djelovanja sile mogu odrediti put kojim će se atomi presložiti.
Potpuno taljenje na gotovo 13.000 Celzijevih stupnjeva
Unatoč razlikama tijekom preobrazbe, sva tri smjera dala su podudaran rezultat za potpuno taljenje. Ono je nastupilo pri približno 572 gigapaskala i 13.200 kelvina, odnosno oko 12.900 Celzijevih stupnjeva. Procijenjena nesigurnost iznosi 24 gigapaskala za tlak i 600 kelvina za temperaturu.
To su uvjeti relevantni za proučavanje duboke unutrašnjosti planeta, osobito onih masivnijih od Zemlje. Rezultat ne znači da takva temperatura vlada u Zemljinu plaštu. Pokazuje koliko magnezijev oksid pri golemom tlaku može ostati u čvrstom stanju prije nego što se potpuno rastali.
U donjem Zemljinu plaštu magnezijev oksid nalazi se u kristalima zajedno sa željezovim oksidom. Pokusi s čistim MgO služe kao osnova za razumijevanje složenijih mineralnih sustava. U većim stjenovitim planetima tlakovi su viši, pa se ondje mogu pojaviti strukture koje Zemljin plašt ne doseže.
Smith i suradnici dobivene podatke povezuju i s modelima ranih oceana magme te s pitanjem ostaje li dio unutrašnjosti divovskih planeta čvrst. Za te procjene sada imaju preciznije eksperimentalne granice, uz jasnije objašnjenje zašto se uzorak tijekom brzog stiskanja ne mora ponašati kao materijal u ravnoteži.
