Nachschlag Quasikristalle: Quasi aus dem All (oder vielleicht doch nicht ?)

Hier ein Nachschlag zu einem Beitrag aus der tiefen Vergangenheit des Jahres 2016. Die älteren unter uns erinnern sich – es ging um Quasikristalle. Kurzer Rückblick (alles aufgewärmt): In natürlichen Kristallen sind nur 1-, 2-, 3-, 4-, und 6-zählige Symmetrien möglich. Fünfzählige Symmetrien (und solche über 6) sind eigentlich nicht möglich, da man so den Raum nicht periodisch zukacheln kann. Sogenannte Quasikristalle wurden aber in den 60er Jahren theoretisch begründet, und Anfang der 80er dann in Legierungen erstmals beobachtet. 2009 fanden dann Bindi, Steinhardt et al. Quasikristalle auch in freier Wildbahn: 30 Mikron (0.03 mm) große Kristalle in aus dem Koryak-Gebirge in der Khatyrka-Region im fernen Kamtschatka. Es handelt sich um eine Legierung aus Aluminium, Kupfer und Eisen. Benannt wurde es als Icosahedrit, Al63Cu24Fe13. Untersuchungen ergaben zudem, dass es sich möglicherweise um meteoritisches Material handelte. Nur gab es Probleme mit der Herkunft des Materials, es gab nämlich kein großes Handstück, die Kristalle wurden aus sibirischen Flusssedimenten gesiebt. Aber es gelang, die Quasikristalle in Laborexperimenten nachzubauen. Dennoch, trotz allem war (und ist) die wissenschaftliche Gemeinschaft nicht völlig überzeugt

In der Zwischenzeit hat sich einiges getan in der Thematik. Zum einen wurden noch mehr neue Minerale (wenn auch keine Quasikristalle) in Khatyrka entdeckt (Hollisterite (Al3Fe), Kryachkoite (Al,Cu)6(Fe,Cu), and stolperite (AlCu): Three new minerals from the Khatyrka CV3 carbonaceous chondrite von Chi Ma et al. in American Mineralogist (verwandter Abstrakt hier). Es wurde bereits eine ganze Doktorarbeit zum Thema verfasst, von Chaney Lin in Princeton (Advances in Natural Quasicrystals and Quasicrystal Tilings). Die ist Online verfügbar.

Und die Laborexperimente, in denen die Entstehung der Quasikristalle nachverfolgt wird, gingen weiter. Hochdruck-Experimente wurden von Vincenzo Stagno (Rom) et al. durchgeführt, veröffentlicht unter Phase equilibria in the nominally Al65Cu23Fe12 system at 3, 5 and 21 GPa: Implications for the quasicrystal-bearing Khatyrka meteorite in Physics of the Earth and Planetary Interiors. Und ein Schub an frei zugänglichen Papers (so sollte es immer sein) zu Experimenten auf dem Nature Ableger Scientific Reports: Oppenheim (Pasadena) et al. mit Shock Synthesis of Five-component Icosahedral Quasicrystals und Shock Synthesis of Decagonal Quasicrystals, sowie nochmal Chaney Lin (Princeton) et al. mit Evidence of cross-cutting and redox reaction in Khatyrka meteorite reveals metallic-Al minerals formed in outer space.

Tenor: Passt alles prima zusammen, ein richtiger Forschungszweig etabliert sich.

Aber Wissenschaft wäre nicht Wissenschaft, wenn irgendwas irgendwie einfach, wenn alle einer Meinung wären. Eine russische Studie von Marina A. Ivanova (Vernadsky Institut, dem wichtigsten russischen Institut für Planetologie) und einigen Kollegen aus Moskau, St.Petersburg und Havard hat sich alles noch mal genauer angeschaut, und bietet eine weitere mögliche Herkunft für die rätselhaften Minerale an. Das Paper nennt sich Composition and origin of holotype Al-Cu-Zn minerals in relation to quasicrystals in the Khatyrka meteorite, erschienen ist es in Meteoritics & Planetary Science. Hier ein etwas älterer Abstrakt zu dem Thema.

Aber alles von Anfang an. Die Kollegen untersuchten zunächst mal die Holotypen der Minerale Khatyrkit (Cu, Zn)Al2 und Cupalit (Cu,Zn)Al. Holotyp ist die Probe, auf der die ursprüngliche Charakterisierung eines Minerals beruht. Dieser stammt für beide aus einem Museum in St.Petersburg. Khatyrkit und Cupalit sind zwar keine Quasikristalle wie Icosahedrit, sind aber chemisch sehr ähnlich und kommen eben mit diesem zusammen in den Meteoritenproben vor. Gefunden wurden die Holotypen ebenfalls in der Khatyrka-Region, als bis zu 1 mm große Brösel in Flusssedimenten. Es gibt allerdings Unterschiede in der Zusammensetzung der Al-Legierungen (Fe und Zn Konzentrationen) zwischen den Holotypen und denen aus den Meteoriten.

Die Proben wurden zuerst mittels einem CT Scanner gescannt, eine Technik, die sich auch in der Mineralogie und Petrologie so langsam durchsetzt. Man erhält so einen Einblick in eine Probe, ohne sie irgendwie präparieren zu müssen. Das ist praktisch, wenn man am Gefüge einer Probe interessiert ist, z.B. Spaltrisse, die beiden üblichen Präparationsroutinen (z.B. Polieren) durch Druckeinwirkung verändert werden. Oder wie die Minerale im Detail miteinander verwachsen sind, was auch interessante Hinweise auf deren Entstehungsgeschichte liefert. Dann wurde die Probe mittels einer Elektronenstrahl-Mikrosonde auf die Chemie der Minerale hin analysiert, eine sehr gängige Technik in der Petrologie, ähnlich einem Rasterelektronenmikroskop mit EDX.

Al-Cu-Zn Legierungen sind in Werkstoffen weit verbreitet, weshalb es eine ausführliche Literatur zu dem Thema gibt, gerade was die thermodynamischen Entstehungsbedingungen angeht (man ahnt schon, in welche Richtung das jetzt geht…) Ein Problem ist, dass der extraterrestrische Ursprung der Al-Legierungen (Khatyrkit , Cupalit und Quasikristalle) nur indirekt festgestellt wurde. Diese kommen zwar zusammen mit Silikaten, die den eigentlichen Meteoriten ausmachen, vor. Aber als eindeutig nicht-irdisch wurden eben nur diese Silikate und Oxide des Meteoriten anhand von Sauerstoff- und  Edelgasisotopie bestimmt. Wichtiger Punkt. Und die hergeleiteten Entstehungsbedingungen der Al-Legierungen unterschieden sich fundamental von denen der Silikate – beide Gruppen an Mineralen müssen sich erst später gemischt haben. Und die Zusammensetzung der Al-Legierungen deutet zusätzlich auf einen ganz anderen Ursprungsort als für die Silikate hin – laut der Studie ist kein bekanntes natürliches System in der Lage, Minerale mit einer solchen Chemie zu produzieren.

Wo also könnten die Al-Legierungen (und damit Quasikristalle) dann herkommen? Bereits 2013 wurden von einer neuen, russischen Expedition Proben an derselben Stelle genommen wie 2011 von der Vorläuferexpedition. Dieses Mal wurden 600 kg an Sedimenten gesiebt. Gefunden wurde leider nichts, weder Al-Legierungen, Quasikristalle noch Meteoritenfragmente.

Dafür stieß die wackere Expedition flussaufwärts auf was anderes. Nämlich auf einen Schrottplatz –  genauer, die verrosteten Überbleibsel einer Prospektionsstätte aus den 60ern und 70ern. Voll mit allerlei Metallteilen, Alumniumröhren, Kupferdrähten, Maschinenbauteilen und so weiter- und, wie gesagt,  Legierungen aus Eisen, Kupfer, Zink und Aluminium sind in der freien Wildbahn eher selten. Könnten die mysteriösen Minerale etwa von dort stammen?

Nach wie vor würde aber immer noch die Frage bestehen, wie die Al-Legierungen mit meteoritischem Material verkuddelt wurden. Und eben die Ursachen für  für Impakt-Schock in manchen Mineralen. An der Prospektionsstelle gibt es Anzeichen für den Einsatz von Sprengstoffen – und so ein Sprengloch würde alle Bestandteile beinhalten – Aluminium-Pulver, Küpferdrähte und wohl diverse Elektronikbauteile mit den entsprechenden Elementen. Da fehlt nur noch ein zufällig sedimentiertes Stück eines einst im Einzugsgebiet des Flusses gefallenen Meteoriten an der richtigen Stelle…

Auch wichtig die Feststellung, dass die alten Proben aus den 80er Jahren bereits starke Verwitterungsspuren zeigen, und das während der Lagerung in einer Sammlung. Das deutet darauf hin, dass die Proben nicht sooo lange in der freien, rostigen Natur verbracht haben konnten, also erst in jüngerer Zeit entstanden sein sollten.

Aber die Autoren sind aber nach wie vor Vorsichtig – sie hauen lobenswerterweise eben nicht auf die Pauke, sondern präsentieren alles sehr zurückhaltend. Und eine Bestätigung der Funde und der Hypothese der russischen Kollegen würde der These einer extraterrestrischen Herkunft der Al-Legierungen und damit Quasikristalle schon ziemlich den Teppich unter den Füßen wegziehen. Stattdessen bieten sie die Ergebnisse der Studie als eine weitere, zu testende Hypothese an. Einige Punkte müssen noch geklärt werden – so zeigten die Fundorte einiger Proben laut Chaney Lin et al. (siehe Paper oben) keine Anzeichen von rezenten Störungen, was man ja bei Eintrag durch die Prospektionsarbeiten erwarten würde. Außerdem sollten dann auch irdisches Gestein mit Quasikristallen zu finden sein, wie Ivanova et al. selber anmerken (obwohl es da laut dem paper auch schon Kandidaten gibt). Mal sehen, was in der nächsten Runde passiert – es bleibt spannend.

Next: Vielleicht mal was über Merkur und die bald startendende ESA/JAXA BepiColombo-Mission. Oder was über die schon wieder vor der Tür stehende Lunar and Planetary Science Conference im schönen Houston (meine Güte, ist das Jahr wieder schnell vorüber gezogen).

 

 

Mein Interesse an Planetologie und Raumforschung begann schon recht früh. Entweder mit der Apollo/Sojus Mission 1975. Spätestens aber mit dem Start der Voyager-Sonden 1977, ich erinnere mich noch wie ich mir mein Leben in der fernen Zukunft des Jahres 1989 vorzustellen versuchte, wenn eine der Sonden an Neptun vorbeifliegen würde.Studiert habe ich dann Mineralogie in Tübingen (gibt es nicht mehr als eigenständiges Studienfach). Anstatt meinen Kommilitonen in die gängigen Richtungen wie Keramikforschung zu folgen, nahm ich meinen Mut zusammen und organisierte eine Diplomarbeit über Isotopenanalysen von Impaktgestein aus dem Nördlinger Ries Einschlagkrater. Dem folgte dann eine Doktorarbeit über primitive Meteorite in Münster.Nach 10 Jahren als PostDoc in verschiedenen Ecken der Welt arbeite wieder am Institut für Planetologie in Münster, an Labormessungen für die ESA/JAXA Raumsonde BepiColombo, die demnächst zum Merkur aufbrechen wird.Mein ganzes Arbeitsleben drehte sich bisher um die Untersuchung extraterrestrischer (und damit verwandter) Materialien: Gesteine aus Impaktkratern, die ganze Bandbreite Meteoriten (von den ganz primitiven Chondriten bis hin zu Marsmeteoriten). Zu meiner Forschung gehören auch Laborexperimente, in denen Vorgänge im frühen Sonnensystem nachgestellt wurden.Mein besonderes Interesse ist, die Laboruntersuchungen von extraterrestrischem Material mit Fernerkundungsdaten (im Infrarot) zu verknüpfen. Das vor allem mit Daten aus der planetaren Fernerkundung durch Raumsonden, aber auch mit Beobachtungen junger Sonnensysteme durch Teleskope.

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