Undersøgelse afslører ny struktur af guld i ekstremer

Guld er et ekstremt vigtigt materiale til højtryksforsøg og betragtes som "guldstandarden" til beregning af tryk i statiske diamantamboltcelleforsøg. Når den komprimeres langsomt ved stuetemperatur (i størrelsesordenen sekunder til minutter), guld foretrækker at være den ansigtscentrerede kubiske (fcc) struktur ved tryk op til tre gange jordens centrum.

Imidlertid, forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) og Carnegie Institution i Washington har fundet ud af, at når guld komprimeres hurtigt over nanosekunder (1 milliarddel af et sekund), stigningen i tryk og temperatur ændrer den krystallinske struktur til en ny fase af guld. Denne velkendte kropscentrerede kubiske (bcc) struktur forvandler sig til en mere åben krystalstruktur end fcc strukturen. Disse resultater blev for nylig offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

"Vi opdagede en ny struktur i guld, der eksisterer i ekstreme tilstande - to tredjedele af det tryk, der findes i midten af ​​Jorden, "sagde hovedforfatter Richard Briggs, en postdoktor ved LLNL. "Den nye struktur har faktisk mindre effektiv pakning ved højere tryk end startstrukturen, hvilket var overraskende i betragtning af den enorme mængde teoretiske forudsigelser, der pegede på tættere pakket strukturer, der burde eksistere. "

Eksperimenterne blev udført på Dynamic Compression Sector (DCS) ved Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory. DCS er den første synkrotron røntgenfacilitet dedikeret til dynamisk komprimeringsvidenskab. Disse brugerforsøg var nogle af de første udført på hutch-C, den dedikerede højenergilaserstation af DCS. Guld var det ideelle emne at studere på grund af dets høje Z (giver et stærkt røntgenstrøelsessignal) og relativt uudforsket fasediagram ved høje temperaturer.

Holdet fandt ud af, at strukturen af ​​guld begyndte at ændre sig ved et tryk på 220 GPa (2,2 millioner gange Jordens atmosfæriske tryk) og begyndte at smelte, når den blev komprimeret ud over 250 GPa.

"Observationen af ​​flydende guld ved 330 GPa er forbløffende, "Sagde Briggs." Dette er trykket i midten af ​​jorden og er mere end 300 GPa højere end tidligere målinger af flydende guld ved højt tryk. "

Overgangen fra fcc til bcc struktur er måske en af ​​de mest undersøgte faseovergange på grund af dens betydning ved fremstilling af stål, hvor høje temperaturer eller spænding forårsager en strukturændring mellem de to fcc/bcc -strukturer. Imidlertid, det vides ikke, hvilken faseovergangsmekanisme der er ansvarlig. Forskergruppens resultater viser, at guld gennemgår den samme faseovergang, før det smelter, som følge af både tryk og temperatur, og fremtidige eksperimenter, der fokuserer på overgangsmekanismen, kan hjælpe med at præcisere centrale detaljer om denne vigtige overgang til fremstilling af stærke stål.

"Mange af de teoretiske modeller af guld, der bruges til at forstå højtryks-/højtemperaturadfærden, forudsagde ikke dannelsen af ​​en kropscentreret struktur-kun to ud af mere end 10 publicerede værker, "Briggs sagde." Vores resultater kan hjælpe teoretikere med at forbedre deres modeller af elementer under ekstrem komprimering og se hen imod at bruge de nye modeller til at undersøge virkningerne af kemisk binding til at hjælpe udviklingen af ​​nye materialer, der kan dannes i ekstreme tilstande. "