Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Anomale Kristalle: ein Schlüssel zu atomaren Strukturen von Schmelzen im Erdinneren

16.11.2018

Forscher der Universität Bayreuth haben außergewöhnliche Kristallstrukturen hergestellt, die den klassischen Regeln der Kristallchemie widersprechen. Es handelt sich um Phasen, die aus dem Mineral Coesit entstehen. Die anomalen Strukturen bieten wertvolle Ansatzpunkte, um die atomaren Strukturen von Silikatschmelzen im Erdinneren zu entschlüsseln und die Entstehung von Planeten besser zu verstehen. Zugleich werden sich seismische Beobachtungen mit größerer Genauigkeit interpretieren lassen. In Nature Communications wurden die Forschungsergebnisse jetzt veröffentlicht.

Siliciumoxide mit der Summenformel SiO2 kommen in einer Vielzahl von Modifikationen vor. Quarz zählt zu dieser großen Familie.


Kristallstrukturen von Coesit IV und Coesit V: SiO₄-Tetraeder sind blau, SiO₅-Polyeder grün und SiO₆-Oktaeder braun markiert.

Grafik: Leonid Dubrovinsky // Nature Communications 9, 2018, Open Access.

Für die Kristallstruktur des Quarzes und der anderen Siliciumdioxide, die in der Erdkruste enthalten sind, ist ein Gerüst aus SiO4-Tetraedern charakteristisch, die sich jeweils aus vier Sauerstoff-Atomen und einem Silicium-Atom in der Mitte zusammensetzen.

Im Detail ist die Struktur der Siliciumdioxid-Kristalle allerdings von den Druck- und Temperaturverhältnissen in der Umgebung abhängig. Sobald Quarz – das zweithäufigste Mineral der Erdkruste – von der Erdoberfläche in eine Tiefe von rund 70 Kilometern gelangt, verwandelt es sich in Coesit.

Dieses Mineral ist überraschend wandlungsfähig. So bilden sich bei Drücken bis zu 30 Gigapascal die Coesit-Phasen I, II und III heraus, ohne dass sich die SiO4-Tetraeder – die Bestandteile ihres Gerüsts – ändern.

Erstmals möglich: Berechnung atomarer Strukturen von Silikatschmelzen

Nun aber haben die Bayreuther Wissenschaftler, in Kooperation mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg, die weiteren Coesit-Phasen IV und V entdeckt. Deren Gerüst setzt sich nicht mehr einheitlich aus SiO4-Tetraedern zusammen, vielmehr sind auch SiO5-Pentaeder und SiO6-Oktaeder darin enthalten.

Diese anomalen Strukturen öffnen eine Tür für Untersuchungen des tiefen Erdinneren, wie sie bisher nie möglich waren. Unter extrem hohen Drücken und Temperaturen können im unteren Erdmantel Silikatschmelzen entstehen, deren atomare Strukturen bis heute unbekannt sind. Die Schmelzen liefern im Unterschied zu festen Kristallstrukturen keine eindeutigen Röntgenbeugungsmuster.

Um dennoch Materialstrukturen in diesen Schmelzen identifizieren zu können, bleibt nur ein Umweg: Jede Kristallstruktur besitzt eine Kenngröße, die sogenannte Paarverteilungsfunktion. Sie zeigt an, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass sich innerhalb eines Kristalls in einer definierten Entfernung von einem Atom ein weiteres Atom befindet.

Falls eine feste Kristallstruktur eine Paarverteilungsfunktion besitzt, die der Paarverteilungsfunktion von geschmolzenen Silikaten ähnelt, ist dies ein wichtiges Indiz für den atomaren Aufbau der Schmelze. Bisher war allerdings für Silikatschmelzen und Silikatglas keine derartige Kristallstruktur bekannt.

Den Bayreuther Wissenschaftlern ist es jedoch gelungen, die Paarverteilungsfunktionen der Coesit-Phasen IV und V zu identifizieren. Dabei haben sie festgestellt: Die ermittelten Werte kommen den bekannten Paarverteilungsfunktionen von komprimierten Silikaten und geschmolzenem Basalt überraschend nahe.

Mehr noch: Bei Drücken von mehr als 45 Gigapascal besitzen die beiden Coesit-Phasen die gleiche Dichte wie Silikatglas, das durch Schmelzprozesse entsteht.

„Diese Übereinstimmungen sind ein starkes Indiz dafür, dass die äußerst ungewöhnlichen Strukturelemente von Coesit IV und V in Silikatschmelzen im tiefen Erdinneren vorkommen. Diese Schmelzen haben, wie wir heute glauben, bei der Entstehung der Erde – insbesondere der Differenzierung von Erdkern und Erdmantel – eine zentrale Rolle gespielt. Für ein genaueres Verständnis dieses Prozesses liefern uns die ungewöhnlichen Coesit-Phasen wertvolle Anhaltspunkte“, erklärt Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky, der Projektleiter der neuen Studie.

Genauere Interpretationen seismischer Daten

Die Forscher vermuten, dass die strukturellen Anomalien – vor allem die SiO5-Pentaeder und SiO6-Oktaeder, die gemeinsame Flächen haben – eine geringere Materialdichte in den Schmelzen verursachen.

„Diese ungewöhnlichen Bausteine könnten dazu führen, dass sich Schallwellen in geschmolzenen Bereichen des Erdinneren deutlich langsamer fortsetzen. Insofern liefern die Analysen von Coesit IV und V wertvolle Hinweise für die Interpretation seismischer Daten. Sie können die Beziehungen zwischen tiefen Schmelzen und Vulkanismus sowie zwischen tiefen Schmelzen und Erdbeben erklären helfen“, erläutert Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia vom Labor für Kristallographie der Universität Bayreuth.

Anomale Kristallstrukturen durchbrechen die „Pauling-Regeln“

Die höchst ungewöhnlichen Strukturen von Coesit IV und Coesit V durchbrechen die bis heute von der Fachwelt anerkannten Verknüpfungsregeln, die der US-amerikanische Chemiker und Nobelpreisträger Linus Pauling im Jahr 1954 für Kristalle aufgestellt hat. Diese Regeln postulieren insbesondere, dass die Anzahl verschiedener Bauelemente eines Kristalls dazu tendiert, möglichst klein zu sein, und dass gemeinsame Flächen zweier Polyeder die Stabilität der Struktur verringern und daher unwahrscheinlich sind.

Dessen ungeachtet besitzen die jetzt entdeckten Strukturen bis zu drei verschiedene Bauelemente (SiO4-Tetraeder, SiO5-Pentaeder und SiO6-Oktaeder), und SiO6-Oktaeder haben gemeinsame Flächen. "Es hat ein Jahr gedauert, bis wir durch Untersuchungen in verschiedenen Synchrotronanlagen beweisen konnten, dass diese Strukturen tatsächlich existieren“, sagt die Erstautorin der Studie Dr. Elena Bykova, die vor drei Jahren an der Universität Bayreuth bei Prof. Dubrovinsky und Prof. Dubrovinskaia promoviert hat.

Forschungsförderung:

Die Forschungsarbeiten an der Universität Bayreuth wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Veröffentlichung:

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: Metastable silica high pressure polymorphs as structural proxies of deep Earth silicate melts, Nature Communications 9, 2018.
DOI: 10.1038/s41467-018-07265-z - Open Access (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky
Bayerisches Geoinstitut (BGI)
Universität Bayreuth
95447 Bayreuth
Leonid.Dubrovinsky@uni-bayreuth.de
Telefon: +49 (0)92155 -3736 oder -3707

Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia
Labor für Kristallographie
Universität Bayreuth
95447 Bayreuth
Natalia.Dubrovinskaia@uni-bayreuth.de
Telefon: +49 (0)92155 -3880 oder -3881

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Happy hour für die zeitaufgelöste Kristallographie
17.09.2019 | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

nachricht Zuviel des Guten: Überaktive Immunzellen lösen Entzündungen aus
17.09.2019 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Happy hour für die zeitaufgelöste Kristallographie

Ein Forschungsteam vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD), der Universität Hamburg und dem European Molecular Biology Laboratory (EMBL) hat eine neue Methode entwickelt, um Biomoleküle bei der Arbeit zu beobachten. Sie macht es bedeutend einfacher, enzymatische Reaktionen auszulösen, da hierzu ein Cocktail aus kleinen Flüssigkeitsmengen und Proteinkristallen angewandt wird. Ab dem Zeitpunkt des Mischens werden die Proteinstrukturen in definierten Abständen bestimmt. Mit der dadurch entstehenden Zeitraffersequenz können nun die Bewegungen der biologischen Moleküle abgebildet werden.

Die Funktionen von Biomolekülen werden nicht nur durch ihre molekularen Strukturen, sondern auch durch deren Veränderungen bestimmt. Mittels der...

Im Focus: Happy hour for time-resolved crystallography

Researchers from the Department of Atomically Resolved Dynamics of the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) at the Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg, the University of Hamburg and the European Molecular Biology Laboratory (EMBL) outstation in the city have developed a new method to watch biomolecules at work. This method dramatically simplifies starting enzymatic reactions by mixing a cocktail of small amounts of liquids with protein crystals. Determination of the protein structures at different times after mixing can be assembled into a time-lapse sequence that shows the molecular foundations of biology.

The functions of biomolecules are determined by their motions and structural changes. Yet it is a formidable challenge to understand these dynamic motions.

Im Focus: Modulare OLED-Leuchtstreifen

Das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP, ein Anbieter von Forschung und Entwicklungsdienstleistungen auf dem Gebiet der organischen Elektronik, stellt auf dem International Symposium on Automotive Lighting 2019 (ISAL), vom 23. bis 25. September 2019, in Darmstadt, am Stand Nr. 37 erstmals OLED-Leuchtstreifen beliebiger Länge mit Zusatzfunktionalitäten vor.

Leuchtstreifen für das Innenraumdesign kennt inzwischen nahezu jeder. LED-Streifen sind als Meterware im Baumarkt um die Ecke erhältlich und ebenso oft als...

Im Focus: Modular OLED light strips

At the International Symposium on Automotive Lighting 2019 (ISAL) in Darmstadt from September 23 to 25, 2019, the Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Electron Beam and Plasma Technology FEP, a provider of research and development services in the field of organic electronics, will present OLED light strips of any length with additional functionalities for the first time at booth no. 37.

Almost everyone is familiar with light strips for interior design. LED strips are available by the metre in DIY stores around the corner and are just as often...

Im Focus: Womit werden wir morgen kühlen?

Wissenschaftler bewerten das Potenzial von Werkstoffen für die magnetische Kühlung

Für das Jahr 2060 erwarten Zukunftsforscher einen Paradigmenwechsel beim globalen Energiekonsum: Erstmals wird die Menschheit mehr Energie zum Kühlen aufwenden...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Events und Messen im digitalen Zeitalter

17.09.2019 | Veranstaltungen

Technomer 2019 - Kunststofftechniker treffen sich in Chemnitz

16.09.2019 | Veranstaltungen

„Highlights der Physik“ eröffnet

16.09.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Events und Messen im digitalen Zeitalter

17.09.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Happy hour für die zeitaufgelöste Kristallographie

17.09.2019 | Biowissenschaften Chemie

Fungizide als unterschätzte Gefahr für Organismen in Gewässern

17.09.2019 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics