Wetenschappers hebben er in de natuur nog maar twee ontdekt: quasikristallen. En experimenten geven nu meer inzicht in hoe deze superzeldzame structuren ontstaan.

In ‘gewone’ kristallen zijn atomen regelmatig en periodiek gerangschikt. Dat laatste betekent dat ze een bepaalde geometrische structuur hebben en die structuur herhaalt zich met een bepaalde symmetrie. Zo bestaan er kristallen met een tweevoudige symmetrie. Dat betekent dat de positie van de kristallen wanneer je ze 180 graden om hun as draait niet te onderscheiden is van de positie die de kristallen voor het draaien innamen. En zo zijn er ook kristallen met een drie- of viervoudige symmetrie. Deze kun je 120 (voor de drievoudige symmetrie) of 90 (voor de viervoudige symmetrie) om hun as draaien zonder dat hun positie zichtbaar verandert.

Quasikristallen
Tot 1984 dachten onderzoekers dat kristallen geen andere vormen van symmetrie kenden. En toen creëerde onderzoeker Dan Shechtman in het laboratorium een quasikristal. Quasikristallen zijn kristallen die bestaan uit atomen met een schijnbaar regelmatige, maar in werkelijkheid aperiodieke structuur. Dat laatste betekent dat hun organisatie verandert naarmate ze groeiden.

Khatyrka-meteoriet
Resten van de meteoriet zijn teruggevonden in het Korjakengebergte in Rusland. De meteoriet is best opmerkelijk. Zo troffen de onderzoekers in de meteoriet een legering van aluminium en koper aan: iets wat in de natuur nog nooit is aangetroffen. Grote vraag is hoe die legering is ontstaan.

In de natuur
In de decennia die volgden werden er in het lab meer dan 100 verschillende varianten quasikristallen gecreëerd. Maar nog nooit waren de kristallen in de natuur aangetroffen. Een aantal jaren geleden kwam daar echter verandering in. In een klein monster van de Khatyrka-meteoriet troffen onderzoekers een kristal met een vijfvoudige symmetrie aan. En het bleef niet bij deze ene quasikristal. In 2015 ontdekten onderzoekers er in dezelfde meteoriet nog één. En daarmee was bewezen dat quasikristallen ook in de natuur ontstonden, maar wel zeer zeldzaam waren: tot op de dag van vandaag zijn ons er nog steeds maar twee bekend.

Botsing?
Grote vraag is natuurlijk hoe die zeer zeldzame structuren dan precies ontstaan. En daar denken onderzoekers nu ook uit te zijn. Een analyse van de Khatyrka-meteoriet wees er eerder al op dat deze – voor deze op aarde terechtkwam – een enorme klap had gehad. Waarschijnlijk doordat de meteoriet op een ander object in de ruimte gebotst is. Zulke botsingen zijn heel normaal in de planetoïdengordel (tussen Mars en Jupiter) en worden gekenmerkt door het vrijkomen van enorme hoeveelheden energie. Zou zo’n botsing misschien de oorsprong zijn van de quasikristallen? Onderzoekers hebben die theorie nu getoetst.

Quasikristallen. Afbeelding: Asimow Laboratory / Caltech.

Quasikristallen. Afbeelding: Asimow Laboratory / Caltech.

Het experiment
De onderzoekers verzamelden mineralen die in de Khatyrka-meteoriet voorkomen en plaatsten ze in een bakje dat nog het best beschreven kan worden als een stalen hockeypuck. Vervolgens zorgden de onderzoekers ervoor dat deze ‘puck’ met daarin de mineralen een enorme klap kreeg. In feite imiteerden ze zo een botsing tussen twee planetoïden. Na het experiment werd de puck open gemaakt en de vulling geanalyseerd. De verschillende elementen bleken door de klap samen te zijn geperst en op verschillende plekken waren heel kleine quasikristallen ontstaan. Het wijst er sterk op dat quasikristallen ontstaan wanneer planetoïden – die net als de Khatyrka-meteoriet een vrij ongewone chemische samenstelling hebben – op elkaar klappen. “We weten dat de Khatyrka-meteoriet een klap kreeg,” vertelt onderzoeker Paul Asimov. “En nu weten we dat er een quasikristal ontstaat wanneer de materialen die in de meteoriet aanwezig waren een klap oplopen.”

“Als je me voor het onderzoek gebeld zou hebben en gevraagd zou hebben of het zou werken, zou ik zeggen: “Nooit!”

Gek
De resultaten zijn verrassend, vindt onderzoeker Sarah Stewart die het onderzoek van Asimov reviewde. “Als je me voor het onderzoek gebeld zou hebben en gevraagd zou hebben of het zou werken, zou ik zeggen: “Nooit!” Wat verbazingwekkend is, is dat het zo gemakkelijk ging. De natuur is gek!”

Asimov erkent dat er nog wel enkele vragen zijn die om een antwoord roepen. Zo wil hij in de toekomst het experiment herhalen met verschillende combinaties mineralen om uit te zoeken welke ingrediënten nodig zijn voor het ontstaan van de quasikristallen.