Diamanter hjælper med at generere ny rekord for statisk tryk til undersøgelse

Der sker ekstraordinære ting med almindelige materialer, når de udsættes for meget højt tryk og temperatur. Natrium, et ledende metal under normale forhold, bliver en gennemsigtig isolator; gasformigt brint bliver et fast stof.

Men at generere de terapascal-tryk - det er ti millioner gange det atmosfæriske tryk på jordens overflade - der er nødvendigt for at udforske de mest ekstreme forhold i laboratoriet, har kun været muligt ved brug af stødbølger, som genererer trykket i meget kort tid og derefter ødelægger prøver. Nu er et internationalt team, der arbejder ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science User Facility ved Argonne National Laboratory, har udtænkt en metode til at opnå statiske tryk meget højere end nogen tidligere nået.

"At opnå ultrahøje tryk åbner nye horisonter for en dybere forståelse af stof, sagde Leonid Dubrovinsky, en videnskabsmand ved University of Bayreuth, Tyskland, som var en af ​​udviklerne af den nye metode. "Det er af stor betydning for de grundlæggende videnskaber, til modellering af det indre af gigantiske planeter og til udvikling af nye materialer med usædvanlige egenskaber til teknologiske anvendelser."

Ved at bruge en innovativ ny enhed, der anvender transparente nanokrystallinske diamanter udviklet til denne applikation, Natalia Dubrovinskaia, hvem ledede undersøgelsen, Dubrovinsky og samarbejdspartnere opnåede et tryk, der var næsten 50 procent højere end det højeste statiske tryk, der tidligere er opnået med standard en-trins diamantamboltceller.

"Det er et stort skridt, " sagde Vitali Prakapenka, en videnskabsmand ved Center for Advanced Radiation Sources ved University of Chicago, der arbejdede på eksperimenterne.

Dubrovinsky og kolleger designede en version af en dobbelttrins diamantamboltcelle, der typisk bruges til at generere høje tryk. Det traditionelle apparat fungerer som en skruestik, der klemmer prøven mellem to enkrystal diamanter. I den nye enhed, en lille kugle af nano-krystallinske diamanter sidder oven på hver enkelt-krystal diamant. Når diamanterne presses sammen, belastningen overføres fra den større diamant til nanokuglen. Nano-diamantkuglerne komprimeres og bliver faktisk hårdere, giver dem mulighed for både at generere og modstå ekstreme pres.

Forskerne udvidede yderligere apparatets muligheder ved at introducere en pakningssamling, der fungerer som et sekundært trykkammer inde i cellen, giver dem mulighed for at arbejde med gasser og væsker såvel som faste stoffer.

Gennemsigtigheden af ​​de nye nano-diamantkugler åbner muligheden for at opnå højt tryk og høj temperatur samtidigt. "Vi kan skinne højeffektlaseren gennem diamantambolten og også gennem nano-diamanten, og opvarm prøven, når den allerede er under tryk, " sagde Prakapenka. "Og vi kan derefter undersøge prøveegenskaberne in situ med synkrotron røntgenteknikker."

Denne evne til at sondere stof ved ultrahøje statiske tryk har vigtige implikationer for forståelsen af ​​materialers fysik og kemi. Den mest direkte umiddelbare anvendelse er til studiet af materialerne under et enormt pres på de gigantiske planeters indre. Men Prakapenka foreslår andre muligheder.

"Vi kan syntetisere helt nye materialer med unikke egenskaber, som vi aldrig ville have forudset, " sagde han. "Og vi mener, at der stadig eksisterer nogle materialer, som vi kun kan syntetisere ved højt tryk, som superledere, og sluk så ned, bringe til omgivende forhold og brug. I dette tilfælde er det en meget lille mængde - det er kun mikron - men for den fremtidige anvendelse inden for nanorobotteknologi, hvem ved."

Gruppen arbejdede hos GeoSoilEnviro Consortium for Advanced Radiation Sources (GSECARS) beamline, som drives af University of Chicago i Sektor 13 af APS. Den høje intensitet og energi af APS's røntgenstråler var afgørende for eksperimenterne. "Strålen skal være intens nok til at gå gennem diamantambolten og gennem en- eller to-mikronprøven og give dig nok statistik til at se diffraktion fra prøven, " sagde Prakapenka. "Du har brug for meget høj intensitet, højenergi røntgenstråler for at gøre det. Det er kun muligt ved tredje generations synkrotroner som APS."

Også kritisk var GSECARS' monokromator, optik og billeddannelsessystemer, som bringer strålen til prøvepositionen, fokuser det ned til et sted mindre end tre mikron og lad forskerne se og analysere prøven in situ.

Papiret, "Terapascal statisk trykgenerering med ultrahøj udbyttestyrke nanodiamant, " blev offentliggjort den 20. juli i Videnskabens fremskridt .