Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Kristalle unter Hochdruck ihre Strukturen ändern: Neue Erkenntnisse zum Dolomit im Erdinneren

06.09.2012
Viele hundert Kilometer tief in der Erde können die gleichen Mineralien andere kristalline Strukturen als auf der Erdoberfläche haben.
Dank ihrer Wandlungsfähigkeit bewahren sie ihre thermodynamische Stabilität trotz der hohen Drücke, denen sie im äußeren und inneren Erdmantel ausgesetzt sind. Ein Beispiel ist das Dolomit, ein weltweit häufig vorkommendes Karbonatmineral. Eine internationale Forschungsgruppe mit Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky (Universität Bayreuth) berichtet in den PNAS – den Proceedings of the National Academy of Sciences der USA – über Experimente, die zeigen, in welchen kristallinen Strukturen Dolomit im Erdinneren 'überlebt'.

Dolomit ist im Sedimentgestein zahlreicher deutscher Mittelgebirge und in den Alpen enthalten. Ebenso wie die italienischen Dolomiten mit ihren stark dolomithaltigen Sedimenten verdankt es seinen Namen dem französischen Geologen Déodat de Dolomie. Dolomit existiert ausschließlich in Form von Kristallen, die sich aus Calcium, Magnesium und Karbonatgruppen zusammensetzen. Diese chemischen Bestandteile bilden unter den Druckverhältnissen auf der Erdoberfläche und in der Erdkruste eine kristalline Struktur trigonaler Symmetrie.

Bisher ging die Forschung von der Annahme aus, Dolomit könne hohen Drücken, wie sie im Erdmantel herrschen, nicht standhalten und würde in die Karbonatmineralien Calcit (Aragonit) und Magnesit zerfallen. Doch Experimente, die am Bayerischen Geoinstitut (BGI) – einem Forschungszentrum der Universität Bayreuth – und an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle (ESRF) in Grenoble durchgeführt wurden, haben diese Annahme jetzt widerlegt. Am BGI wurden Einkristalle des in der Natur vorkommenden, mit Eisen angereicherten Dolomits immer stärkeren Drücken ausgesetzt. Mithilfe einer speziellen Technik, der Röntgenmikrodiffraktion, konnten die Forscher nachweisen, dass Dolomit bei einem Druck über 17 Gigapascal nicht zerfällt, sondern seine kristalline Struktur ändert. Dadurch entsteht ein neues Polymorph, Dolomit-II genannt. Dieses Material besteht aus den gleichen Atomen wie das natürliche Dolomit. Seine Struktur hat jedoch eine deutlich niedrigere (trikline) Symmetrie.

Wird der Druck auf Dolomit-II solange erhöht, bis 35 Gigapascal überschritten sind, ändert sich die kristalline Struktur erneut. Jetzt entsteht ein weiteres Polymorph, das als Dolomit-III bezeichnet wird. Es folgt zwar gleichfalls dem triklinen Kristallsystem, doch sind auffällige Änderungen zu beobachten. Denn in den kristallinen Strukturen von Dolomit und Dolomit-II haben die Carbongruppen – bestehend aus einem Kohlenstoff- und drei Sauerstoffatomen – eine flächige Form. Doch in Dolomit-III deformieren sich die Carbongruppen und nähern sich bei steigendem Druck zunehmend einer pyramidenartigen Form an. Auf diese Weise bestätigen die Forschungsergebnisse frühere Computerberechnungen, wonach Carbongruppen in kristallinen Strukturen oberhalb von 80 Gigapascal die Form eines Tetraeders aufweisen. Anders als vorhergesagt, kommt diese Form allerdings nicht durch eine abrupte Phasenänderung zustande, sondern bildet sich in einem kontinuierlichen Prozess heraus.

"Die Forschungsergebnisse bestärken uns in der Erwartung, dass tief im Erdinneren Materialstrukturen existieren, die auf der Erdoberfläche völlig unbekannt sind", erklärt Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky, der sich am Bayerischen Geoinstitut mit Hochdruck- und Hochtemperatur-Kristallographie befasst. "Hier liegt ein faszinierendes Forschungsgebiet vor uns, das noch manche Überraschungen bereit hält."

Gemeinsam mit den anderen Mitgliedern der Forschungsgruppe hält Dubrovinsky die neuen Einblicke in die kristallinen Strukturen des Dolomits für geeignet, das Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs im Erdinneren weiter voranzubringen. Denn weil die Druckverhältnisse im Erdinneren sehr gut erforscht sind, lassen sich die im Experiment erzeugten und analysierten Polymorphe des Dolomits verschiedenen Tiefen im Erdinneren zuordnen. Dolomit-II existiert demnach in einer Tiefe zwischen 500 und 850 km, Dolomit-III in einer Tiefe bis zu 1.700 km. Möglicherweise haben das Dolomit und seine Polymorphe dabei eine wichtige Funktion als Transporteure von Kohlenstoff. Wenn beispielsweise bei tektonischen Prozessen zwei Platten der Erdkruste aneinander stoßen und sich die eine Platte unter die andere schiebt, wandert das im Sedimentgestein enthaltene Dolomit immer weiter in die Tiefe. Auf dem Weg in den äußeren und den inneren Erdmantel verändert es sich zunächst zu Dolomit-II, dann zu Dolomit-III. Sobald diese Polymorphe, etwa durch Mantelkonvektion, aufwärts in die Erdkruste vordringen oder sogar die Erdoberfläche erreichen, nehmen sie wieder die 'normale' kristalline Struktur des Dolomits an.

Veröffentlichung:

Marco Merlini, Wilson A. Crichton, Michael Hanfland, Mauro Gemmi, Harald Müller, Ilya Kupenko, and Leonid Dubrovinsky,
Structures of dolomite at ultrahigh pressure and their influence on the deep carbon cycle,
in: PNAS 2012 109 (34) 13509-13514;
published ahead of print August 6, 2012.
DOI: 10.1073/pnas.1201336109
Ansprechpartner:

Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky
Bayerisches Geoinstitut (BGI)
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Tel.:+49 (0)921 55 3736/3707
E-Mail: Leonid.Dubrovinsky@uni-bayreuth.de

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Die steifsten Leichtbaumaterialien überhaupt
12.12.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

nachricht Künstliches Perlmutt nach Mass
12.12.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Wie Bakterien ein Antibiotikum ausschalten

Forscher des HZI und HIPS haben entdeckt, dass resistente Bakterien den Wirkstoff Albicidin mithilfe eines massenhaft gebildeten Proteins einfangen und inaktivieren

Gegen die immer häufiger auftauchenden multiresistenten Keime verlieren gängige Antibiotika zunehmend ihre Wirkung. Viele Bakterien haben natürlicherweise...

Im Focus: How bacteria turn off an antibiotic

Researchers from the HZI and the HIPS discovered that resistant bacteria scavenge and inactivate the agent albicidin using a protein, which they produce in large amounts

Many common antibiotics are increasingly losing their effectiveness against multi-resistant pathogens, which are becoming ever more prevalent. Bacteria use...

Im Focus: Wenn sich Atome zu nahe kommen

„Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält“ - dieses Faust’sche Streben ist durch die Rasterkraftmikroskopie möglich geworden. Bei dieser Mikroskopiemethode wird eine Oberfläche durch mechanisches Abtasten abgebildet. Der Abtastsensor besteht aus einem Federbalken mit einer atomar scharfen Spitze. Der Federbalken wird in eine Schwingung mit konstanter Amplitude versetzt und Frequenzänderungen der Schwingung erlauben es, kleinste Kräfte im Piko-Newtonbereich zu messen. Ein Newton beträgt zum Beispiel die Gewichtskraft einer Tafel Schokolade, und ein Piko-Newton ist ein Millionstel eines Millionstels eines Newtons.

Da die Kräfte nicht direkt gemessen werden können, sondern durch die sogenannte Kraftspektroskopie über den Umweg einer Frequenzverschiebung bestimmt werden,...

Im Focus: Datenspeicherung mit einzelnen Molekülen

Forschende der Universität Basel berichten von einer neuen Methode, bei der sich der Aggregatzustand weniger Atome oder Moleküle innerhalb eines Netzwerks gezielt steuern lässt. Sie basiert auf der spontanen Selbstorganisation von Molekülen zu ausgedehnten Netzwerken mit Poren von etwa einem Nanometer Grösse. Im Wissenschaftsmagazin «small» berichten die Physikerinnen und Physiker von den Untersuchungen, die für die Entwicklung neuer Speichermedien von besonderer Bedeutung sein können.

Weltweit laufen Bestrebungen, Datenspeicher immer weiter zu verkleinern, um so auf kleinstem Raum eine möglichst hohe Speicherkapazität zu erreichen. Bei fast...

Im Focus: Data storage using individual molecules

Researchers from the University of Basel have reported a new method that allows the physical state of just a few atoms or molecules within a network to be controlled. It is based on the spontaneous self-organization of molecules into extensive networks with pores about one nanometer in size. In the journal ‘small’, the physicists reported on their investigations, which could be of particular importance for the development of new storage devices.

Around the world, researchers are attempting to shrink data storage devices to achieve as large a storage capacity in as small a space as possible. In almost...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Tagung 2019 in Essen: LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

14.12.2018 | Veranstaltungen

Pro und Contra in der urologischen Onkologie

14.12.2018 | Veranstaltungen

Konferenz zu Usability und künstlicher Intelligenz an der Universität Mannheim

13.12.2018 | Veranstaltungen

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

Ulmer Forscher beobachten Genomaktivierung "live" im Fischembryo

18.12.2018 | Biowissenschaften Chemie

Notsignal im Zellkern – neuartiger Mechanismus der Zellzykluskontrolle

18.12.2018 | Biowissenschaften Chemie

Neue Methode für sichere Brücken

18.12.2018 | Architektur Bauwesen

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