Sætter guld- og platinstandarder, hvor få har gået før

Som to superhelte, der endelig forener kræfterne, Sandia National Laboratories' Z-maskine - generator af verdens mest kraftfulde elektriske impulser - og Lawrence Livermore National Laboratory's National Ignition Facility - planetens mest energiske laserkilde - har i en række af 10 eksperimenter detaljeret svarene fra guld og platin ved så ekstreme tryk. at deres atomare strukturer øjeblikkeligt forvrænges som billeder i et fun-house spejl.

Lignende højtryksændringer, der er induceret i andre omgivelser, har frembragt mærkelige ting som brint, der fremstår som en metallisk væske, helium i form af regn og natrium et gennemsigtigt metal. Men indtil nu har der ikke været nogen måde at nøjagtigt kalibrere disse tryk og reaktioner på, det første skridt til at kontrollere dem.

Sagde Sandia-manager Chris Seagle, en forfatter til et teknisk papir for nylig udgivet af tidsskriftet Videnskab , "Vores eksperimenter er designet til at måle disse forvrængninger i guld og platin som en funktion af tid. Kompression giver os en måling af tryk versus tæthed."

Efter eksperimenter på de to store maskiner, forskere udviklede tabeller af guld og platin reaktioner på ekstremt pres. "Disse vil give en standard til at hjælpe fremtidige forskere med at kalibrere reaktionerne fra andre metaller under lignende stress, sagde Jean-Paul Davis, en anden papirforfatter og Sandias ledende videnskabsmand i bestræbelserne på pålideligt at kategorisere ekstreme data.

Data genereret af eksperimenter ved disse tryk - omkring 1,2 terapascal (en terapascal er 1 billion pascal), en mængde tryk, der er relevant for nukleare eksplosioner - kan hjælpe med at forstå sammensætningen af ​​exoplaneter, virkningerne og resultaterne af planetariske påvirkninger, og hvordan månen blev til.

Den tekniske enhed kaldet pascal er så lille, at den ofte ses i flere tusinder, millioner, milliarder eller billioner. Det kan være lettere at visualisere omfanget af disse effekter i form af atmosfæriske trykenheder. Jordens centrum er cirka 3,6 millioner gange det atmosfæriske tryk ved havoverfladen, eller 3,6 millioner atmosfærer. Z's data nåede 4 millioner atmosfærer, eller fire millioner gange atmosfærisk tryk ved havoverfladen, mens National Ignition Facility nåede 12 millioner atmosfærer.

Diamantamboltens kraft

Bemærkelsesværdigt, sådanne tryk kan genereres i laboratoriet af en simpel kompressionsanordning kaldet en diamantambolt.

Imidlertid, "Vi har ingen standarder for disse ekstreme trykområder, " sagde Davis. "Mens efterforskere ser interessante begivenheder, de er hæmmet i at sammenligne dem med hinanden, fordi hvad en forsker præsenterer ved 1,1 terapascal er kun 0,9 på en anden forskers skala."

Det, der er nødvendigt, er et underliggende kalibreringsværktøj, såsom den numeriske tabel, som disse eksperimenter var med til at skabe, han sagde, så forskerne taler om resultater opnået ved de samme dokumenterede mængder af pres.

"Z-NIF eksperimenterne vil give dette, " sagde Davis.

De overordnede eksperimenter, under ledelse af Lawrence Livermore-forsker D. E. Fratanduono, stolede på Z-maskinens nøjagtighed som kontrol af NIFs kraft.

Z's nøjagtighed, NIFs magt

Z's kraft skabes af dets kraftfulde stødfri magnetfelt, genereret i hundredvis af nanosekunder af dens 20 millioner ampere puls. Til sammenligning, en 120-watt pære bruger en ampere.

Nøjagtigheden af ​​denne metode refokuserede de højere tryk opnået ved hjælp af NIF-metoder.

NIF's pres oversteg dem i kernen af ​​planeten Saturn, hvilket er 850 gigapascal. Men dets laserkompressionseksperimenter krævede nogle gange et lille stød i starten af ​​kompressionsbølgen, hæve materialets temperatur, som kan forvrænge målinger, der har til formål at sætte en standard.

"Pointen med stødfri kompression er at holde temperaturen relativt lav for de materialer, der studeres, " sagde Seagle. "Dybest set opvarmer materialet, når det komprimeres, men det bør forblive relativt køligt - hundredvis af grader - selv ved terapascal tryk. Indledende opvarmning er en besværlig start."

En anden grund til, at Z, som bidrog med halvdelen af ​​antallet af "skud, "eller fyringer, og omkring en tredjedel af dataene, blev betragtet som standarden for resultater op til 400 gigapascal, fordi Z's prøvestørrelse var omtrent 10 gange så stor:600 til 1, 600 mikron tyk sammenlignet med 60 til 90 mikron på NIF. En mikron er en tusindedel af en millimeter.

Større prøver, langsommere pulser er lig med lettere målinger

"Fordi de var større, Z's prøver var mindre følsomme over for materialets mikrostruktur end NIF's, " sagde Davis. "Større prøver og langsommere pulser er simpelthen nemmere at måle med høj relativ præcision. At kombinere de to faciliteter begrænsede virkelig standarderne."

Kombinationen af ​​Z- og NIF-data betød, at den højere nøjagtighed, men Z-data med lavere intensitet kunne bruges til at fastlægge lav-til-medium trykrespons, og med matematiske justeringer, reducere fejl på NIF-data med højere tryk.

"Formålet med denne undersøgelse var at producere meget nøjagtige trykmodeller til cirka en terapascal. Det gjorde vi, så denne kombination af faciliteter har været fordelagtig, " sagde Seagle.