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铁陨石的纹理真的无法人造吗?

本帖由 漂亮的石头2021-06-27 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

    漂亮的石头 版主 管理成员

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    [​IMG] Nantan,天降陨石于斯人。 阅读原文

    不完全是。

    按照常规的理解,铁陨石中能被称为“纹理”的结构有维斯台登构造(Widmanstätten pattern)和纽曼线(Neumann lines)。前者无法人工制造,但后者可以。

    找了一圈没找着同时拍到维斯台登纹和纽曼线的陨石照片,只能拿自己的开刀了,原谅我的渣渣拍照技术。。

    [​IMG]
    条带状的交错纹理是维斯台登构造。颜色稍亮的斑块是铁纹石,上面发丝般的纹理就是纽曼线。拍摄材料是南丹(Nantan)铁陨石。

    维斯台登构造的形成取决于铁陨石的化学成分和陨石母体中 Fe-Ni 熔体的冷却速率。是铁陨石母体在冷却过程中,铁纹石(α- 铁,铁的同素异形体之一,体心立方点阵)沿着镍纹石(γ- 铁)的特定晶面生长形成的。一般长这样:

    [​IMG]
    [​IMG]
    1- 铁纹石;2- 镍纹石;3- 合纹石(铁纹石和镍纹石的混合物);4- 氧化物和其他陨石矿物。​

    铁陨石那样厘米级尺寸的维斯台登构造确实无法在实验室制造,原因在于形成这种金相需要铁陨石的母体以极其缓慢的速率冷却。虽然不同铁陨石的冷却速率相差甚远,但通常在 1~100℃/ 百万年的区间内。人类发明时光机之前可没寿命在实验室里等这么一块玩意儿冷却。

    研究人员模拟铁陨石冷却时使用了 6.88wt%Ni 和 0.49wt%P 的铁合金,并以 5℃/ 天的冷却速率从 790℃降到 650℃,结果形成的维斯台登构造中的铁纹石晶体(下图的 K)只有几微米宽。远达不到铁陨石里肉眼可见的大尺寸铁纹石晶体的水平。[1]

    [​IMG]
    6.88wt%Ni 和 0.49wt%P 的模拟铁陨石以 5℃/ 天的速率冷却,透射电镜图。
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    9.8wt%Ni-0.3wt%P 的铁合金冷却至 650℃的实验,形成的维斯台登构造。反射光显微图。

    下图为 Gibeon 铁陨石的维斯台登构造,可以对比一下晶体尺寸差距。

    (Gibeon 铁陨石在结构分类上属于细粒八面体铁陨石,维斯台登纹比刚才拍的粗粒八面体 Nantan 要细得多,铁纹石晶体很窄,不能直接肉眼观察纽曼线。)

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    [​IMG]
    https://doi.org/10.1016/j.actamat.2005.11.008
    K:铁纹石;T:镍纹石;P:合纹石;N:纽曼线。​

    也许你能在某购物平台上看到个别有怪异“维斯台登纹”的“铁陨石”,那些大多只是在铁块表面磨砂或者部分哑光处理的玩意,用砂纸磨去就没了,而且做工十分蹩脚,甚至不能称之为仿造。(铁陨石的维斯台登纹用砂纸磨去后,重新酸洗就能重现)

    [​IMG]
    图片来自某宝。

    至于纽曼线,它的形成条件就没有维斯台登纹那么苛刻了。纽曼线是铁纹石受到冲击形成的,代表了机械双晶的 Fe-Ni 微薄页理,体心铁纹石中双晶面为(112)。[2]而小行星之间偶尔也会“撞车”,冲击变质也是陨石中的常见现象。

    人为制造的纽曼线在夏比冲击试验就能做到。

    夏比冲击试验是用以测定金属材料抗缺口敏感性(韧性)的试验。制备有一定形状和尺寸的金属试样,使其具有 U 形缺口或 V 形缺口,在夏比冲击试验机上处于简支梁状态,以试验机举起的摆锤作一次冲击,使试样沿缺口冲断,用折断时摆锤重新升起高度差计算试样的吸收功。​
    [​IMG]
    纽曼线只在样品与试验设备支架接触的区域产生,而此区域在冲击过程中压缩应力最高。

    所以铁陨石的纹理,无论是维斯台登纹还是纽曼线,都是可以人工制造的。但前提是有足够的寿命,所以要研究怎么制作假陨石,最好先研究如何长生不老。

    阅读原文
     
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