Por primera vez, Investigadores de la Universidad de Bayreuth y el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) han logrado aplicar espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) en experimentos que analizan muestras de material a muy alta presión que es similar a la presión en el manto inferior de la Tierra. El proceso presentado en Avances de la ciencia se espera que mejore nuestra comprensión de las partículas elementales, que a menudo se comportan de manera diferente bajo alta presión que en condiciones normales. Se prevé que fomente las innovaciones tecnológicas y también permita nuevos conocimientos sobre el interior de la tierra y la historia de la tierra. en particular, las condiciones para los orígenes de la vida.

Los diamantes someten la materia a alta presión

La investigación de alta presión en geociencias y ciencia de materiales es conocida por conducir al descubrimiento de algunos fenómenos fascinantes y completamente inesperados. Bajo una presión extremadamente alta, los materiales que normalmente no son conductores se convierten en superconductores; los cuerpos en estado sólido aparentemente simples asumen repentinamente estructuras cristalinas muy complejas; las partículas elementales más pequeñas, como los electrones y los protones, presentan propiedades impredecibles. El Instituto Bávaro de Investigación de Geoquímica y Geofísica Experimental (BGI) de la Universidad de Bayreuth es uno de los principales centros de investigación de alta presión del mundo. En 2016, Un equipo de investigadores del BGI logró una presión de más de un terapascal por primera vez en sus experimentos en ciencia de materiales, que es tres veces más alta que la presión en el centro de la tierra. Estos niveles de presión se generan en espacios extremadamente pequeños en las celdas de yunque de diamante. Usando estos dispositivos, Las muestras de material se colocan entre las cabezas de dos diamantes que están colocados exactamente uno frente al otro y ejercen una presión extremadamente alta sobre el material.

De este modo, La cristalografía de rayos X ha llevado a algunos descubrimientos sorprendentes sobre las estructuras y el comportamiento de la materia una y otra vez. Sin embargo, Espectroscopia de RMN, que se utiliza, por ejemplo, para aclarar las estructuras e interacciones de las biomoléculas, todavía no se había utilizado en la investigación de alta presión. Había un obstáculo técnico en el camino:hasta ahora, Era difícil que los campos magnéticos importantes para la RMN se concentraran en las muestras diminutas de las celdas del yunque del diamante y midieran las señales que se producen.

Lentes magnéticos combinados con diamantes

Sin embargo, En agosto de 2017, los científicos del Instituto de Tecnología de Microestructura del KIT publicaron un nuevo método que permite utilizar la espectroscopia de RMN para experimentos de alta precisión en espacios diminutos. Al hacerlo, hicieron mejoras relevantes a las lentes magnéticas conocidas como "lentes Lenz" (nombradas en honor al físico alemán Emil Lenz, 1804-1865). "Estos resultados de la investigación en Karlsruhe nos sugirieron inmediatamente aquí en Bayreuth que las lentes Lenz podrían instalarse en las celdas del yunque de diamante para permitir experimentos de RMN a altas presiones". "informó el Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky, investigador de alta presión en Bayreuth. Junto con el Dr. Sylvain Petitgirard y el Dr. Thomas Meier de BGI, Dubrovinsky se puso en contacto con el equipo de investigadores del Prof. Dr. Jan Korvink en Karlsruhe. En poco tiempo La cooperación intensiva permitió combinar los diamantes de las celdas del yunque con las lentes Lenz de modo que las muestras de material encerradas en las celdas pudieran examinarse con espectroscopía de RMN. En experimentos iniciales, las muestras fueron expuestas a presiones de 72 gigapascales (720, 000 bares), en los niveles del manto inferior de la Tierra.

Nuevas perspectivas de investigación e innovación

"La cartera de procesos de cristalografía de rayos X que teníamos a nuestra disposición hasta ahora para la investigación de alta presión en las ciencias de las geociencias y los materiales se ha ampliado considerablemente gracias a la adición de la espectroscopia de RMN. Las posibles áreas de aplicación aún no se pueden prever. Ahora podemos estudiar el comportamiento de los electrones y los núcleos atómicos en sistemas que son importantes en física y geología con un grado de precisión mucho mayor que antes, ", explicó Dubrovinsky." Estos hallazgos podrían impulsar desarrollos innovadores, p.ej. en energía o tecnología médica. Un día, incluso pueden ayudarnos a resolver el gran enigma de cómo surgió la vida en la Tierra, "Dijo Dubrovinsky.