Forskere kombinerer højtryksforskning med NMR-spektroskopi

For første gang, forskere ved University of Bayreuth og Karlsruhe Institute of Technology (KIT) er lykkedes med at anvende atommagnetisk resonans (NMR) spektroskopi i forsøg med at analysere materialeprøver under meget højt tryk, der ligner trykket i Jordens nedre kappe. Processen præsenteret i Videnskab fremskridt forventes at forbedre vores forståelse af elementarpartikler, som ofte opfører sig anderledes under højt tryk, end de gør under normale forhold. Det forudsiges at tilskynde til teknologiske innovationer og også for at muliggøre ny indsigt i jordens indre og jordens historie, i særdeleshed, betingelserne for livets oprindelse.

Diamanter sætter sagen under højt tryk

Højtryksforskning inden for geovidenskaben og materialevidenskaben er kendt for at føre til opdagelsen af ​​nogle fascinerende og helt uventede fænomener. Under ekstremt højt tryk, materialer, der normalt ikke er ledende, bliver til superledere; tilsyneladende simple faststoflegemer antager pludselig meget komplekse krystallinske strukturer; de mindste elementarpartikler som elektroner og protoner viser uforudsigelige egenskaber. University of Bayreuths bayerske forskningsinstitut for eksperimentel geokemi og geofysik (BGI) er et af verdens førende centre for højtryksforskning. I 2016, et team af forskere på BGI opnåede et tryk på over en terapascal for første gang i deres eksperimenter inden for materialevidenskab - det er tre gange højere end trykket i midten af ​​jorden. Disse trykniveauer genereres i ekstremt små rum i diamantamboltceller. Ved hjælp af disse enheder, materialeprøver placeres mellem hovederne på to diamanter, der er placeret nøjagtigt overfor hinanden og udøver ekstremt højt tryk på materialet.

På denne måde, Røntgenkrystallografi har ført til nogle overraskende opdagelser om materiens strukturer og adfærd igen og igen. Imidlertid, NMR -spektroskopi - som bruges, for eksempel, at afklare strukturer og interaktioner mellem biomolekyler - var endnu ikke blevet brugt i højtryksforskning. Der var en teknisk hindring i vejen:indtil nu, det var næppe muligt for de magnetfelter, der var vigtige for NMR, at fokusere på de bittesmå prøver i diamantamboltcellerne og måle de signaler, der således produceres.

Magnetiske linser kombineret med diamanter

Imidlertid, i august 2017 offentliggjorde forskere ved KIT's Institute of Microstructure Technology en ny metode, der gør det muligt at bruge NMR -spektroskopi til meget præcise eksperimenter i små rum. Derved, de foretog relevante forbedringer af magnetiske linser kendt som "Lenz linser" (opkaldt efter den tyske fysiker Emil Lenz, 1804-1865). "Disse forskningsresultater i Karlsruhe foreslog straks os her i Bayreuth, at Lenz -linser kunne installeres i diamantamboltcellerne for at muliggøre NMR -eksperimenter ved højt tryk, "rapporterede professor Dr. Leonid Dubrovinsky, højtryksforsker i Bayreuth. Sammen med Dr. Sylvain Petitgirard og Dr. Thomas Meier fra BGI, Dubrovinsky kom i kontakt med Prof. Dr. Jan Korvinks team af forskere i Karlsruhe. På kort tid, intensivt samarbejde gjorde det muligt at kombinere diamanterne i amboltcellerne med Lenz -linserne, således at materialeprøverne i cellerne kunne undersøges med NMR -spektroskopi. I indledende forsøg, prøverne blev udsat for tryk på 72 gigapascal (720, 000 barer), på niveauerne i Jordens nedre kappe.

Nye udsigter til forskning og innovation

"Den portefølje af røntgenkrystallografiproces, der hidtil var tilgængelig for højtryksforskning inden for geovidenskaben og materialevidenskaben, er blevet betydeligt udvidet takket være tilføjelsen af ​​NMR-spektroskopi. De mulige anvendelsesområder kan ikke engang forudses endnu. Vi kan nu studere elektroners og atomkernenes adfærd i systemer, der er vigtige i fysik og geologi med en meget højere grad af præcision end før, "forklarede Dubrovinsky." Disse fund kunne fremme innovativ udvikling, f.eks. inden for energi eller medicinsk teknologi. En dag, de kan endda hjælpe os med at løse den store gåde om, hvordan livet opstod på Jorden, "Sagde Dubrovinsky.