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Projekt V

Dynamische Be- und Entlastung von SiO2 polykristallinen Aggregaten. Echtzeitmessungen von Phasenumwandlungen mittels Synchrotronstrahlenbeugung.

Projektleitung:

Thomas Kenkmann, ALU Freiburg
Andreas Danilewsky, ALU Freiburg
Hanns Peter Liermann, DESY Hamburg
Lars Ehm, STU New York

Im Projekt beschäftigt:

Eva-Regine Carl (Doktorandin, ALU Freiburg)

Zusammenfassung

Ein Meteoritenimpakt ist ein hochdynamischer Prozess, bei dem geologische Materialien Drucke, Temperaturen und Verformungsraten erfahren, die hoch genug sind, um Hochdruck Polymorphe (HPP) zu bilden. Die für die Bildung von HPP von Quarz erforderlichen Drucke und Temperaturen sind dabei im Impakt-Kontext nicht vergleichbar mit denen, die unter quasi-statischen Bedingungen erforderlich sind. So zeigen beispielsweise, im Gegensatz zu quasi-statischen Bedingungen, Coesit-führende Impaktite höhere Stoßwellendrucke an als Stishovit-führende. Das grundlegende Ziel der Studie ist es, ein besseres Verständnis für die dynamische Kompression von Quarz – einem wesentlichen gesteinsbildenden Mineralen der MEMIN II Kampagne – und seinen HPP für verschiedene Be- und Entlastungsraten zu bekommen. Wir untersuchen, ob die HPP Bildung ratenabhängig ist und von deviatorischen Spannungen beeinflußt wird. Die Mechanismen der HPP Bildung und die Rolle von amorphen Zwischenphasen werden ebenfalls studiert. Phasentransformationen werden in Echtzeit durch Röntgenbeugung an der Extreme Conditions Beamline (ECB) P02.2, der PETRA III Synchrotron-Strahlenquelle am DESY, Hamburg aufgezeichnet. Unser erster Schritt ist die Suche nach HPP von Quarz in hochgeschocktem Material der MEMIN Kraterexperimente. Zwar wurden HPP in Quarz bislang nicht in Stoßwellenexperimente nachgewiesen. Aufgrund der längeren Pulslänge in unseren Experimenten gegenüber bisherigen Rückgewinnungsexperimenten besteht aber doch die Möglichkeit, dass nm-große Coesite oder Stishovite gebildet wurden. Die Studie zu HPP Bildung unter verschiedenen Belastungsraten wird mit zwei verschiedenen Diamantstempelpressen durchgeführt: Für moderate Belastungsraten (3 GPa/s) wird eine Membran-führende Diamantstempelpresse (mDAC) verwendet. Hohe Kompressionsraten von Quarz werden mit einer weiter verbesserten mDAC (300 GPa/s, Strain Rate 2s-1) und piezo-elektrisch getriebenen dynamischen Diamantstempelpresse (dDAC) erreicht (bisher maximale berichtete Belastungsraten liegen bei 500 GPa/s, Strain Rate 0.16 s−1 für ein Metall). Dieser Antrag ebnet den Weg, um den Zustand von Materie unmittelbar bei der Stoßwellenkomprimierung in Echtzeit zu verfolgen. Eine zentrale Rolle hierfür spielt der zurzeit im Bau befindliche Europäische Freie Elektronen Laser (XFEL), mit dessen Hilfe eine Röntgenbeugung in 100 fs möglich sein wird. Nach den Experimenten werden (i) die Beugungsdiagramme prozessiert, (ii) Zellparameter und HPP durch Rietveld Verfeinerung identifiziert und (iii) die Proben einer EBSD und TEM Analyse unterzogen.
Um die Durchführbarkeit der Studie zu testen, wurden Experimente mit SiO2 Pulver mit einer mDAC an der PETRA III Synchrotron-Quelle für verschiedene Belastungsraten durchgeführt mit Kompressionsraten von bis zu 3 GPa/s. Eine Rietveld Verfeinerung an verschiedenen Diffraktogrammen zeigt das Verschwinden von α−Quarz und die assoziierte Bildung von Coesit und Stishovit. Anders als unter quasi-statischen Bedingungen folgen diese Phasen jedoch nicht nacheinander.