Kde se vzal minerál lonsdaleit? Podle vědců pochází z dávných kosmických srážek

Uhlík umí vykouzlit celou řadu nesmírně odlišných forem. Kromě běžného grafitu, ceněného diamantu či podivuhodného dvojrozměrného grafenu existuje ještě v dalších, často vzácných a bizarních podobách. Patří k nim i minerál lonsdaleit, podle své struktury občas přezdívaný „šesterečný diamant“. Jeho původ přitom těsně souvisí s meteority, i když dlouho nebylo jasné, jakým způsobem.

Lonsdaleit představuje jednu z tzv. alotropických, tedy strukturně odlišných modifikací uhlíku. Jako minerál bývá hnědý, s odstíny do žluté či tmavohnědé. Vytváří krychlové krystaly, jsou však velmi drobné a obvykle je nelze pozorovat bez mikroskopu. Pokud už se někde vyskytují, typicky doprovázejí klasický diamant. Minerál nese jméno britské krystalografky Kathleen Lonsdaleové a jeho existence se podle všeho úzce pojí s kosmickým prostorem.

Zároveň se kolem něj objevuje spousta otazníků: Nevíme například, jak je vlastně tvrdý. Jeho mikrostruktura, která rovněž není zcela jasná, naznačuje, že by měl být až o 58 % tvrdší než typický diamant. Někdy se o něm proto mluví jako o ultratvrdém diamantu. Měření reálných drobných krystalků lonsdaleitu však obvykle odhalují mnohem nižší tvrdost, zhruba v rozsahu 7.–8. stupně, zatímco u standardního diamantu se jedná o 10. stupeň.

Jak vzniká? Nevíme…

Velkou záhadou rovněž zůstává, jak zmíněný podivuhodný minerál vzniká. Poprvé se jej podařilo nalézt v roce 1967, v meteoritu ze skupiny Canyon Diablo. Jedná se o úlomky železného tělesa, jež asi před 50 tisíci lety dopadlo na území dnešní Arizony a vytvořilo známý Barringerův kráter nebo též Meteor Crater, o průměru zhruba 1 200 metrů. Vesmírný „vetřelec“ měřil okolo 50 metrů a vážil asi 300 000 tun. Při nárazu rychlostí 45 000–65 000 km/h se pak uvolnila energie 10–30 megatun TNT a téměř celé těleso se vypařilo.

Meteorit skupiny Canyon Diablo obsahoval jen nepatrné množství lonsdaleitu, ale od té doby se minerál povedlo najít na řadě dalších míst, obvykle rovněž spojených s dopadem vesmírného objektu. Objevuje se však i v lokalitách, jež nemají s „nebeskými posly“ přímou spojitost. Navíc byl také vyroben uměle, a to několika různými způsoby.

Tři hypotézy o původu

Pokud jde o vznik lonsdaleitu nacházeného na Zemi, zvažovali odborníci zpočátku tři hypotézy. Podle první z nich by se mohl utvářet přímo na naší planetě, a to během dlouhých miliard let, kdy na horniny působily vysoké teploty a tlaky. Australští vědci jej nicméně v roce 2020 syntetizovali i za tlaku kolem 100 GPa při pokojové teplotě.

Další možnost představuje impakt, tedy náraz meteoritu do Země. Pokud z kosmu přilétne větší těleso obsahující grafit a při děsivé srážce se uvolní ohromné množství energie, mohl by se meteoritický grafit přeměnit na drobné diamanty, jež by si zčásti udržely jeho původní hexagonální strukturu. Lonsdaleit by tak vlastně vznikl jako defekt ve struktuře diamantu. Třetí možnost potom zněla, že se minerál dostal na Zemi coby součást některých meteoritů. V takovém případě by se mohl zrodit už v jejich mateřském objektu při procesech, které by zformování lonsdaleitových krystalů umožnily.

Velmi tenké řezy

Vědci si každopádně nebyli jistí, do jaké míry lonsdaleit s dopady meteoritů souvisí – což motivovalo mimo jiné odborníky z australských univerzit Monash a RMIT, aby se pustili do pátrání po jeho původu: Shromáždili 18 vzorků meteoritů obsahujících diamanty, přičemž většina pocházela ze západní Afriky a jeden z Austrálie. V nich pak hledali stopy atomů uhlíku uspořádaných v trojrozměrné hexagonální, tedy šesterečné soustavě. Jak uvedl vedoucí výzkumu Andy Tomkins, právě tím by se měl lonsdaleit zásadně odlišovat od diamantu, jenž krystalizuje v krychlové neboli kubické soustavě. Velmi měkký a poddajný grafit zas utvářejí atomy uhlíku v šestiúhelnících, které jsou uspořádány v plochách.

Materiál zkoumaný australskými vědci náleží do skupiny vzácných kamenných meteoritů ureilitů. Již dlouho o nich víme, že jsou bohaté na uhlík, typicky v podobě grafitu a nanodiamantů. Ve skutečnosti obsahují velmi vysoký podíl diamantů, odpovídající v průměru 3 % jejich hmotnosti. Aby Tomkins a kolegové ve studovaných vzorcích objevili a analyzovali lonsdaleit, použili pokročilé metody elektronové mikroskopie a další moderní technologie: Zhotovili z meteoritů velmi tenké řezy a prozkoumali jejich krystalickou strukturu. Mohli v nich díky tomu zmapovat výskyt grafitu, diamantů i lonsdaleitu a odvodit jejich původ.

Pátrání s mikroskopem

Když badatelé narazili na lonsdaleit v optickém mikroskopu, nejprve si mysleli, že jde o běžné krychlové krystaly diamantu. Teprve použití katodoluminiscenčního zobrazování s elektronovou mikrosondou přineslo první stopu, že by se mohlo jednat o lonsdaleit. Definitivní potvrzení pak poskytla transmisní elektronová mikroskopie, která zobrazila hexagonální krystalickou strukturu.

Až do té doby se dařilo minerál nalézat jedině v impaktních kráterech, takže se pokládal za indikátor dopadu meteoritu. Odborníci z Arizona State University v roce 2014 uváděli, že se jeho krystaly nikdy nepovedlo najít či syntetizovat samotné, ale vždy jako „doprovod“ diamantu. Mělo se převážně za to, že vznikají při nárazu coby defekty v typicky krychlové diamantové struktuře. Tomkinsův tým však na základě analýz dospěl k závěru, že ve zkoumaných vzorcích docházelo k přeměnám grafitu na lonsdaleit a posléze na diamant. V některých případech objevili nepatrné diamantové žíly procházející skrz lonsdaleit, jejichž vznik zřejmě vyžadoval účast nějaké kapaliny či plynu. Badatelé tedy narazili na zmíněný minerál, který nepocházel z impaktního kráteru, a zároveň odhalili stopy vedoucí k jeho původu.

Na Zemi se nezrodil

Na základě analýz mohli vědci vyloučit, že lonsdaleit pochází z naší planety: Našli ho ve vzorcích z meteoritů. Domnívají se přitom, že ureility, o něž se v jejich výzkumu jednalo, obsahují materiál z pláště dávné trpasličí planety, který se nakonec dostal na Zemi. Zdá se, že horniny zmíněného tělesa prošly asi před 4,5 miliardy let – čili těsně po vzniku Sluneční soustavy – extrémní srážkou. Náraz byl tehdy tak silný, že trpasličí planetu nejspíš zničil. Na rozdíl od původních představ se tudíž lonsdaleit podle nového výzkumu nezrodil jako defekt v krychlové krystalické struktuře diamantu.

Jak se tedy mohl na popsané trpasličí planetě zformovat? Vypadá to, že tam probíhaly chemické reakce, při nichž se za postupně klesajícího tlaku po katastrofické kolizi přeměnila na lonsdaleit část přítomného grafitu. Procesy v mateřském tělese ureilitových meteoritů tak zřejmě představovaly přírodní verzi chemické depozice z plynné fáze, která se odehrávala v horninách rodící se trpasličí planety. Chemická depozice z plynné fáze přitom patří k metodám, jimiž se syntetizují diamanty v laboratoři.

Na počátku byla katastrofa

V rané fázi existence trpasličí planety se její struktura diferenciovala na jádro, plášť a kůru. Při růstu krystalů v plášti se patrně deformovaly původní krystaly grafitu a vznikly jeho vločky. Trpasličí planeta se záhy po svém zrodu, asi před 4,5 miliardy let, srazila s dalším velkým objektem, přičemž byla většina její hmoty zničena a rozptýlena. V důsledku toho došlo k dekompresi čili poklesu tlaku ve zbylých horninách pláště, načež se z nich uvolnily kapaliny a plyny, které poté s horninami reagovaly. Nastala tak ideální situace pro vznik lonsdaleitu a během postupného ochlazovaní zbytků původního tělesa zmíněný minerál zčásti nahradily diamanty a grafit.

Výsledky práce Tomkinsova týmu, která zahrnovala i využití synchrotronu pro analýzu struktury hornin, zveřejnil v roce 2022 vědecký časopis Proceedings of the National Sciences. Je pozoruhodné, co vše se dá vyčíst z nepatrných krystalků nalezených v meteoritech. Popsaný výzkum tedy přesvědčivě prokázal, že lonsdaleit opravdu existuje jako přírodní minerál, i když jeho vzniku musela předcházet velmi bouřlivá a devastující událost v nejranějším období naší soustavy, tedy srážka dvou poměrně velkých objektů.

Jak se zdá, vesmír nám v případě zmíněného minerálu poslal velmi užitečný dárek. O diamantech se říká, že jsou nejlepším přítelem žen. Není však vyloučeno, že se lonsdaleit stane nejlepším přítelem vědců, kteří pracují s tvrdými materiály.