Magistriral iz raziskav metamorfnih procesov v meteoritih Jesenice in Jezersko

23. septembra 2015 sem na Naravoslovnotehniški fakulteti Univerze v Ljubljani zagovarjal svoje magistrsko nalogo z naslovom Metamorfni procesi v meteoritih Jesenice in Jezersko. S tem sem si pridobil strokovni naziv magister inženir geologije.

DSC_0105 (1280 x 886)Med zagovorom magistrske naloge

Po diplomi iz meteorita Jesenice, sem si za temo magistrske naloge spet izbral področje znanosti o meteoritih. Sliši se preprosto. Pa je bilo to eden težjih delov same naloge: postaviti si dosegljiv in doslej še ne raziskan znanstveni cilj. O temi naloge sem začel razmišljati že zelo kmalu po diplomi, v začetku leta 2014. Zelo dolgo nisem našel pravega cilja, ki bi ustrezal mojemu področju raziskav in pa raziskovalni opremi, ki jo imam na voljo. V tem času sem opravil kar veliko ur znanstveno-raziskovalnega dela na meteoritih. Vendar le te raziskave niso obrodile pravih sadov, ker niso imele pravilno (jasno) postavljenega cilja.

IMG_0005 (960 x 1280) IMG_0006 (1280 x 1106)Magistrska naloga (povezava do elektronske verzije)

Potem pa sem v septembru 2014 odpotoval na študijsko izmenjavo v Turčijo. O tej izkušnji sem že podrobneje pisal. A, vseeno lahko povzamem, da sem tam imel zelo veliko prostega časa, ki ga iz objektivnih razlogov nisem moral izkoristiti za običajne izlete v naravo in hribe, ker je bilo bivanje v kampusu, podobno bivanju v velikem zaporu. Zato sem izkoristil čas tako da sem dneve in noči intenzivno bral znanstvene članke o meteoritih. Prebral sem jih več kot sto. Potem pa sem po naključju končno naletel na članek o neki udarni žili v meteoritu. Takrat pa je nastopil trenutek: “Hevreka!” Točno isto stvar, ki sem je bila opisana v članku, sem prejšnji dan videl v meteoritu Jezersko, ko sem ga preiskoval z močnim vrstičnim elektronskim mikroskopom, pa takrat še nisem vedel kaj je. Podrobnejši literaturni pregled, mi je razkril, da je bilo na tem področju na svetovnem merilu narejeno zelo malo raziskav. Torej končno sem našel točno tisto kar sem iskal.

DSC_0108 (1280 x 720)

Od takrat dalje je potem trajalo še skorajda leto dni da sem magistrial. V tem času sem v treh različnih državah in na štirih inštitutih opravil na tisoče ur raziskovalnega dela. Seveda mi je bilo samo delo v veliko veselje. Kar nekajkrat se mi je vmes zataknilo in sem zavil z raziskavami v slepo vejo. Vendar v taki raziskovalni ekipi, ki jo imam, to ni bilo težava. Sploh zato, ker sem imel izjemno podporo s strani mojega mentorja izr. prof. dr. Saša Šturma in mentorice doc dr. Mirijam Vrabec. Zraven pa gre zahvala še moji nekdanji mentorici prof. dr. Bredi Mirtič.

DSC_0094 (1280 x 720)

20150923_092817 (1280 x 720)Foto: Gregor K.

Podpora je bila zelo pomembna, saj sem pri raziskavah uporabljal zelo drago, najsodobnejšo znanstveno-raziskovalno opremo. Kot zanimivost sem uporabljal skupno kar devet različnih elektronskih mikroskopov. Med drugim tudi presevni elektronski mikroskop JEOL JEM-ARM200F, na Kemijskem Inštitutu, ki trenutno sodi med najboljše elektronske mikroskope na svetu. Z njegovo pomočjo smo vzorce meteoritov lahko rutinsko preiskovali na atomskem nivoju. V preiskavah smo uporabljali naslednje tehnike: vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM), presevno elektronsko mikroskopijo (TEM), energijsko disperzijsko spektroskopijo rentgenskih žarkov (EDS), valovno-disperzijsko spektroskopijo rentgenskih žarkov (WDS), tehniko uklona povratno sipanih elektronov (EBSD), tehniko fokusiranega ionskega curka (FIB) in rentgensko praškovno difrakcijo (XRD). Tehnika FIB je bila v okviru teh raziskav celo prvič uporabljena za namene geoloških raziskav.

IMG_0003 (1280 x 1178) asteroid-impact bigPriložnostna torta z meteoritom in dinozavri

Cilj moje magistrske naloge je bilo razložiti genezo meteoritov Jesenice in Jezersko od časa nastajanja osončja, pa vse do njihovega pristanka na Zemlji.  Za raziskave smo se odločili, ker je Zemlja diferenciran planet, ki so ga v zadnjih 4.6 milijardah let popolnoma spremenili geološki procesi. Meteoriti so na drugi strani kamni – ostanki iz časa nastajanja našega osončja.  Zato nam meteoriti lahko veliko povedo o začetkih nastajanja našega osončja. Vendar se izkaže da se tudi meteoriti niso povsem izognili metamorfnim procesom. Zato smo študirali termično in udarno metamorfozo v obeh meteoritih, kar nam je bil ključ do cilja naših raziskav -> razložiti celotno zgodovino oz. genezo obeh meteoritov. Za meteorita Jesenice in Jezersko smo se odločili zato, ker sodita v daleč najštevilčnejšo skupino meteoritov – med navadne hondrite. To pa pomeni da predstavljata najbolj povprečno sliko asteroidov v našem osončju. Kasneje, tekom raziskav smo pridobili še nekaj drugih zelo redkih (neslovenskih) meteoritov.

CAM05664 (1280 x 960)

Rezultate moje magistrske lahko krajše in poljudno povzamemo takole. Naše osončje je nastalo iz emisijske meglice pred 4.6 milijardami let. Le nekaj let po nastanku osončja, so nastale prve hondrule, ki jih lahko opazujem opazujemo v obeh meteoritih. Njihova struktura nakazuje, da je njihovo rojstvo povezano z eksplozijo bližnje supernove. Hondrule so se tekom milijonov let združila v večje asteroide – s premerom nekaj 100 km. Ta telesa so vsebovala tudi radioaktivne elemente kot sta uran in torij. Pri radioaktivnem razpadu pa se ne sprošča samo “sevanje”, ampak tudi precejšna količina toplote. Naše raziskave so pokazale da je bil meteorit Jesenice segret na temperaturo 716–942 °C, meteorit Jezersko pa na temperaturo 748–862 °C.

20150923_095348 - kopija (830 x 1280) CAM05661 (1280 x 1201)Foto: Gregor. K

Enak proces še vedno poteka v središču Zemlje, zaradi česar je Zemljino jedro segreto na 5400 °C, kar je skoraj tako vroče kot površje Sonce! Če ne bi bilo tega radioaktivnega razpada, bi se Zemljino jedro že zdavnaj ohladilo. Na prvi pogled se to ne zdi pomembno. Vendar “vroče” jedro poganja vse geološke procese, ki jih poznamo – npr. tektoniko plošč, ki posledično povzroča potrese in nastanek vulkanov. Najprej to kaže na same naravne katastrofe in bi bilo morda bolje, da bi se Zemljino jedro ohladilo.  Vendar je resnica ravno obratna – te spremembe  površja omogočajo neverjetno geološko raznovrstno Zemljinega površja, ki je kot nalašč za razvoj življenja. Nekateri znanstveniki so prepričani, da ne bi bilo življenja na Zemlji, če ne bi bilo tektonike plošč.

DSC_0021 (1280 x 850)Meteorit Jezersko (Foto: M. Jeršek)

repe02 - Kopija - KopijaMeteorit Jezersko (Foto: M. Jeršek)

Naslednja stvar, ki smo jo spoznali s preučevanjem meteoritov je ta, da je njihova sestava enaka, kot je bil začetni material v osončju. Povedano drugače: če bi vso Zemljo stopili, bi imela enako povprečno sestavo kot meteoriti. Vendar je zaradi fizikalnih sil, tekom milijard let Zemlja dobila lupinasto zgradbo. Preprosto povedano: težki elementi kot sta železo in nikelj so potonili v jedro, lahki, kot je kisik, pa so pobegnili v atmosfero. Kar je po gostoti, nekje vmes pa lahko srečamo na vsakem našem koraku – v obliki kamnin. Zato niso meteoriti odlično orodje samo za razumevanje našega osončja, ampak tudi Zemlje, kot planeta.

Esth_ 0087Slika atomov železa in niklja v meteoritu Esherville pri 150 milijon kratni povečavi (presevni elektronski mikroskop, tehnika: vrstična presevna elektronska mikroskopija – širokokotna tehnika temnega polja)

Zadnja stvar s katero smo se ukvarjala je bila t.i. udarna metamorfoza. Vsi meteoriti so bili nekoč del asteroidov, ki krožijo okrog Sonca s hitrostmi od 3000 do 100000 km/h. In kadar trčijo pri teh neverjetnih hitrostih, se sprosti energija stotin, tisočev, milijonov atomskih bomb. In v resnici je ta znanost nastala ravno iz opazovanja kamnin v kraterjih, ki so jih naredili podzemne eksplozije atomskih bomb. Tako smo ugotovili, da je bil meteorit Jesenice izpostavljen tlaku 25000–150000 barov in istočasnem povečanju temperature na 1500–2150 °C, meteorit Jezersko pa tlaku nižjemu  25000 barov in temperaturi 1120–1700 °C. Seveda je zgodba veliko bolj zapletena. Če jo želite razumeti, oz. želite vedeti kako sem prišel do teh rezultatov, si preberite moje magistrsko delo. Prav gotovo pa bom v kratkem gostil več predavanj oz. seminarjev na to temo.

Porfirska olivinova hondrula (1280 x 1041)Hondrula v meteoritu Jezersko

Rezultate v magistrski nalogi sem predstavil na petih mednarodnih konferencah doma in v tujini. Objavljen je bil že en znanstveni članek, v pripravi pa sta še dva.  Del raziskav je bil namenjen tudi klasifikaciji meteorita Jezersko, ki se je nazadnje pridružil k zbirki slovenskih meteoritov. Sedaj je uradno uvrščen v NASINI bazi vseh meteoritov (povezava). Z raziskavami meteoritov še zdaleč nisem zaključil. Pravzaprav upam da je to šele začetek. Tekom raziskav se mi je odprlo več zanimivih vprašanj, ki jih skupaj s sodelavci, že intenzivno rešujem. Pred kratkim sem vpisal tudi na doktorski študij nanoznanosti in nanotehnologije na Mednarodni podiplomski šoli Jožefa Štefana. Od januarja letos, pa sem zaposlen na Institutu “Jožef Stefan”.

Polisomatska lamelarna olivinova hondrul - hondrula, kjer lamele olivina potekajo v več raličnih smeri - kopija (1280 x 1256)Polisomatska lamelarna olivinova hondrula

FIB patteringMikro napis, ki je bil izjedkan s tehniko fokusiranega ionskega curka. Dolžina napisa je manjša od debeline človeškega lasu!

Sam menim da sami rezultati raziskav niso najbolj pomemben rezultat te magistrske naloge. Najbolj pomembno je neprecenljivo znanje, ki sem ga pridobil tekom študija in predvsem svojega raziskovalnega dela. To znanje prenašam na številna druga, bolj aplikativna področja. In bolj v aplikativni smeri, bodo potekale tudi raziskave v okviru mojega doktorskega študija. Več o tej zelo zanimivi temi pa kdaj drugič. Zato se še enkrat iz srca zahvaljujem vsem, ki so mi omogočili, da imam tako enkratno priložnost za dostop do vsega tega znanja.

Lep pozdrav,

Bojan Ambrožič

14 comments

  • Čestitam! Tudi laiki nekaj razumemo, tako zelo lepo ste napisali. Še veliko uspehov tako na strokovnem kot osebnem področju.
    Brigita

    Všeč mi je

  • čestitam.. zelo zanimivo..

    ene dve vprašanji bi imel…
    1. ali se na oni sliki atomov železa in niklja lahko loči, kateri je kateri?
    2. je kje slika udarne žile?

    Všeč mi je

  • Hvala

    1. Zelo dobro vprašanje. Naš cilj je bil ravno to da bi ločili atome železa in niklja. Zakaj je to tako zelo pomembno kdaj drugič.

    Razlog zakaj se ne loči atomov železa in niklja, pa ni v ločljivosti mikroskop, ampak v pripravi vzorca. Namreč idealno bi bilo, da bi bil vzorec debel samo eno atomsko plast. V tem primeru je vzorec predebel – debel je kar okoli 100 atomski plasti. Zato če poenostavljeno povedano zložim drug na drugega 50 atomov “črne barve”, ki bi predstavljali železo in 50 atomov “bele barve”, ki bi predstavljali nikelj, dobimo povprečno sliko stotih atomov, ki je “sive barve”. In točno to se nam je zgodilo v tem primeru. Na sliki so tako atomi železa in niklja, a se jih na tej sliki ne loči med seboj. Vendar brez skrbi, veliko delamo in bomo rešili tudi ta problem. To je zelo dober ilustrativen primer, kjer je prikazano kako zelo pomembna je dobra priprava vzorca. Kako sem pripravil vzorec, si preberite na straneh 14-18 v moji magistrski nalogi:
    https://onedrive.live.com/view.aspx?cid=dc826fd4575b41e3&page=view&resid=DC826FD4575B41E3!6918&parId=DC826FD4575B41E3!6917&app=WordPdf&wacqt=undefined

    2. Udarne žile si lahko ogledate v moji magistrski nalogi na straneh 26-31.

    3. Za vprašanja sem vam vedno na voljo.

    lp,

    Bojan

    Všeč mi je

    • pol so atomi urejeni simetrično v vseh 3 smereh? če pogledaš (sej se tikava ane.. 🙂 4 atome na dotični sliki, bi pričakoval, da je v spodnjem nivoju atom postavljen v sredino teh 4 atomov zgoraj..

      slika pa zgleda, kot da so atomi postavljeni direktno eden na drugem po nivojih kot telefonski steber..

      kakšna bi pa bila slikovna razlika med atomom železa in niklja?

      Všeč mi je

      • Kristal je namenoma tako orientiran, da se atomi točno “zložijo” drug na drugega v točno določeni smeri. Samo v tem primeru je mogoče doseči atomsko ločljivost. Zato je najlažje slikati grafen in pa materiale, ki obstajajo v obliki monolayerjev. Realne vzorce, kot je ta, je precej težje pripraviti. V idealnem primeru da bi imeli točno ta vzorec debel eno atomsko plast, bi bili so to tehniko (ki se imenuje Scannning Transmission electron Microscopy High Angle Annular Dark Field (STEM HAADF )) atomi železa temnejši, ker imajo manjšo atomsko število, kot nikelj, ki bi bil viden nekoliko bolj svetle barve.

        Na tej sliki: https://onedrive.live.com/?id=DC826FD4575B41E3%216922&cid=DC826FD4575B41E3&group=0&parId=DC826FD4575B41E3%216917&o=OneUp
        je model kristala v tisti projekciji v kateri smo ga opazovali. Leva slika kaže točno tisto kristalografsko projekcijo, ki smo jo posneli z mikroskopom, desna slika pa kaže model kristala v rahlo drugačni projekciji, da je jasneje vidno kako so atomi koordinirani znotraj kristala. Ker je pozicija atomov železa in niklja znotraj posameznega kristala, povsem naključna, jih lahko predstavimo z isto barvo. In točno isto stvar kot nam jo kaže model, je vidno tudi na sliki posneti z elektronskim mikroskopom.

        Všeč mi je

  • Vzorec lahko s to tehniko slikamo kjerkoli, le da je dovolj tanek da je preseven za snop elektronov – torej tudi povsem na robu. In ponavadi vzorce preiskujem na robu ali zelo blizu njega, ker je zaradi priprave vzorca, vzorec običajno na robu ravno najbolj tanek in zato najboljši. Vendar v tem primeru vzorec ni bil homogen in smo hoteli slikati določene minerale znotraj njega. Zato je v tem primeru dotična slika nekje iz sredini vzorca, ki je velik ca. 2×2 mikrometra. Torej je vzorec “velik” približno eno petdesetinko debeline človeškega lasu. Kako se naredi tako majhen vzorec, je spet opisano na straneh 14-18. Lepo je prikazano tudi na tem video na youtubu: https://www.youtube.com/watch?v=vNOpzDViAhE in https://www.youtube.com/watch?v=omcxfWGJzsw

    Večina ljudi si niti ne more predstavljati kako izredno majhni so ti vzorci, ki jih pripravljamo s FIB, preiskujemo s TEM. Tule za predstavo, kako majhne stvari lahko naredimo z našim mikroskopom: https://www.youtube.com/watch?v=AxFpow982Qc

    Vzorec bi brez težav lahko obrnili tako da bi gledali točno skozi rob. Težava je v tem da potem 1) ne bi bil v taki kristalografski projekciji kot mi želimo, 2) vzorec je povsem na robu običajno amorforiziran (njegova kristalna struktura je porušena) in spet ne bi dobili želene informacije. Če bi bila potreba, bi z neko drugo tehniko priprave vzorca lahko pripravili vzorec debel le nekaj atomskih plasti in potem ne bi bilo težav.

    Všeč mi je

Submit a comment

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Komentirate prijavljeni s svojim WordPress.com računom. Odjava / Spremeni )

Twitter picture

Komentirate prijavljeni s svojim Twitter računom. Odjava / Spremeni )

Facebook photo

Komentirate prijavljeni s svojim Facebook računom. Odjava / Spremeni )

Google+ photo

Komentirate prijavljeni s svojim Google+ računom. Odjava / Spremeni )

Connecting to %s