Un innovador método de rayos X permite nuevas investigaciones de muestras a alta presión en condiciones de manto profundo. La técnica, que fue desarrollado por un equipo dirigido por Georg Spiekermann de DESY, el Centro Alemán de Investigación de Geociencias GFZ y la Universidad de Potsdam, amplía la gama de instrumentos disponibles para los investigadores de alta presión. Las pruebas exitosas del nuevo método en la fuente de luz de rayos X de DESY, PETRA III, respaldan la idea de que los elementos pesados ​​deben acumularse en los magmas para que puedan ser estables en las profundidades del manto inferior de la Tierra. Los científicos presentan su trabajo en la revista Revisión física X .

Las llamadas condiciones estándar de la química, es decir, una temperatura de 25 grados Celsius y una presión de 1013 milibares, son realmente raros en la naturaleza. La mayor parte de la materia del universo existe en condiciones completamente diferentes. En el interior de la Tierra por ejemplo, la presión y la temperatura aumentan rápidamente a muchas veces las condiciones estándar. "Sin embargo, incluso con la perforación profunda más elaborada, solo la parte superior de la corteza terrestre es accesible, Spiekermann enfatiza. Por lo tanto, los investigadores simulan las condiciones del interior de la Tierra en el laboratorio para investigar el comportamiento de la materia en estas condiciones.

Tales experimentos a menudo implican determinar la estructura interna de las muestras, que en muchos materiales cambia al aumentar la presión. Esta estructura interna se puede explorar con rayos X que son lo suficientemente enérgicos para penetrar la muestra y lo suficientemente cortos en longitud de onda para resolver los pequeños detalles de las distancias atómicas. Para este propósito, Por lo general, existen dos métodos basados ​​en rayos X en la investigación de alta presión:absorción y difracción de rayos X a través de la muestra.

Basado en la emisión de rayos X, Spiekermann y su equipo han desarrollado un tercer método que se puede utilizar para determinar tanto las distancias de enlace en materia amorfa comprimida (desordenada) como el llamado número de coordinación, que indica cuántos vecinos directos tiene un átomo. Estos parámetros se pueden leer a partir de la energía y la intensidad de la radiación de una determinada línea de emisión de la muestra, llamado Kβ "(" K-beta-doubleprime "). La radiación Kβ" se genera cuando la muestra se excita con rayos X. La energía de la línea de emisión depende del número de coordinación, la intensidad en la distancia de unión.

Los experimentos en la estación experimental P01 en la fuente de rayos X PETRA III de DESY han confirmado el nuevo método. "Hemos mostrado esto, utilizando el espectro de germanio en dióxido de germanio amorfo comprimido, pero este procedimiento también se puede aplicar a otros sistemas químicos, "dice Spiekermann.

El método proporcionará a los científicos una técnica adicional para investigar la estructura de muestras de alta presión. "La información proporcionada por un nuevo método de medición es particularmente bienvenida cuando diferentes métodos hasta ahora han producido resultados significativamente diferentes. como en el caso del dióxido de germanio amorfo comprimido, "explica el investigador de DESY Hans-Christian Wille, jefe de la estación de medición P01 en la que se llevaron a cabo los experimentos.

Por sus experimentos, los investigadores expusieron muestras de dióxido de germanio (GeO2) a una presión de hasta 100 gigapascales, aproximadamente un millón de veces más que la presión atmosférica al nivel del mar. Esta presión corresponde a una profundidad de 2200 kilómetros en el manto inferior de la Tierra. Las mediciones muestran que el número de coordinación del dióxido de germanio no supera los seis incluso bajo esta presión extrema. Esto significa que incluso en la fase de alta presión, cada uno de los átomos de germanio tiene todavía seis átomos vecinos como ya tiene 15 gigapascales.

Este resultado es de gran interés para la exploración del interior de la Tierra, porque el dióxido de germanio tiene la misma estructura y se comporta como el dióxido de silicio (SiO2), que es el principal componente de los magmas naturales en general. Dado que las masas fundidas como el magma generalmente tienen una densidad más baja que la forma sólida del mismo material, Durante mucho tiempo ha sido un misterio por qué los magmas a gran profundidad no se elevan hacia la superficie durante períodos geológicos.

"Hay dos posibles explicaciones para esto, un químico, el otro estructural, "Spiekermann explica." O elementos pesados ​​como el hierro se acumulan en la masa fundida, o existe un mecanismo especial de compactación en las masas fundidas que hace que las masas fundidas sean más densas que las formas cristalinas de la misma composición ". Esto último sería notorio, entre otras cosas, por un aumento en el número de coordinación bajo alta presión.

"Nuestras investigaciones muestran que hasta 100 gigapascales el número de coordinación en el dióxido de germanio no cristalino no es más alto que en la forma cristalina correspondiente, "informa el investigador. Aplicado al dióxido de silicio, esto significa que el magma de mayor densidad solo puede producirse enriqueciendo elementos relativamente pesados ​​como el hierro. La composición y estructura del manto inferior tienen consecuencias de gran alcance para el transporte global de calor y la propagación del campo magnético de la Tierra.