Investigadores dirigidos por Sergey Lobanov del Centro Alemán de Investigación de Geociencias GFZ han desarrollado un nuevo método para medir la densidad del dióxido de silicio (SiO₂ ) el vidrio, uno de los materiales más importantes en la industria y la geología, a presiones de hasta 110 gigapascales, 1,1 millones de veces superior a la presión atmosférica normal. En lugar de emplear rayos X altamente enfocados en una instalación de sincrotrón, usaron un rayo láser blanco y una celda de yunque de diamante. Los investigadores informan sobre su método nuevo y simple en la edición actual de Physical Review Letters .

En las geociencias, la densidad de minerales, rocas y masas fundidas a presiones de varios millones de atmósferas y temperaturas de varios miles de grados es de importancia crítica porque rige la evolución planetaria a largo plazo, así como los procesos volcánicos. Pero, ¿cómo se puede medir la densidad de un material en condiciones tan extremas? Para responder a esta pregunta para un mineral cristalino o una roca, los científicos utilizan la difracción de rayos X con la que se mide el espacio entre los átomos dispuestos periódicamente. Sin embargo, existe un problema si el material tiene una estructura desordenada, es decir, no es cristalino, como vidrios o rocas fundidas. En este caso, el volumen de la muestra debe medirse directamente:la densidad de un material es igual a su masa dividida por el volumen. Sin embargo, tales mediciones son extremadamente difíciles debido al pequeño volumen de la muestra sometida a alta presión. Anteriormente, estas mediciones requerían instalaciones de rayos X a gran escala y equipos altamente especializados, por lo que resultaban muy costosas. Ahora, un equipo dirigido por el científico Sergey Lobanov del Centro Alemán de Investigación de Geociencias GFZ está introduciendo un nuevo método en el que un láser del tamaño de una caja de zapatos les permite medir el volumen de muestras llevadas a presiones similares a las de la profundidad de más de 2000 km en la Tierra.

Dentro de la Tierra, la roca se encuentra bajo una presión inimaginablemente alta, hasta varios millones de veces más alta que la presión atmosférica normal. Sin embargo, contrariamente a la creencia generalizada, el manto de la Tierra no es líquido, sino sólido. La roca se comporta de manera viscoplástica:se mueve centímetro a centímetro por año, pero reventaría bajo un martillazo. Sin embargo, los movimientos lentos impulsan las placas de la corteza terrestre y la tectónica, lo que a su vez desencadena el vulcanismo. Los cambios químicos, por ejemplo, causados ​​por el agua expulsada de las placas de la corteza subducidas, pueden cambiar el punto de fusión de la roca de tal manera que se forma repentinamente magma fundido. Cuando este magma llega a la corteza terrestre y a la superficie, se producen erupciones volcánicas.

Densidad de materiales desordenados

Ningún instrumento en el mundo puede penetrar el manto de la Tierra para estudiar tales procesos en detalle. Por lo tanto, uno debe apoyarse en cálculos, señales sísmicas y experimentos de laboratorio para aprender más sobre el interior de la Tierra. Se puede usar una celda de yunque de diamante para generar las presiones y temperaturas extremadamente altas que prevalecen allí. Las muestras exploradas en él son más pequeñas que la punta de un alfiler. Su volumen está en el rango de sub nanolitros. Cuando el material se comprime bajo presiones tan altas, la estructura interna cambia. Para analizar esto con precisión, se utilizan rayos X en cristales para generar patrones de difracción. Esto permite sacar conclusiones sobre el volumen de la red cristalina y, por lo tanto, también sobre la densidad del material. Los materiales no cristalinos, como los vidrios o las rocas fundidas, hasta ahora han guardado sus secretos más íntimos. Esto se debe a que, para los materiales desordenados, la difracción de rayos X no proporciona información directa sobre su volumen y densidad.

Truco sencillo:medición con láser en lugar de haz de rayos X

Usando un truco simple, los investigadores dirigidos por Sergey Lobanov ahora lograron medir el índice de refracción y la densidad del dióxido de silicio (SiO₂ ) vidrio, uno de los materiales más importantes en la industria y la geología, a presiones de hasta 110 gigapascales. Se trata de una presión que prevalece a más de 2.000 kilómetros de profundidad en el interior de la Tierra y es 1,1 millones de veces superior a la presión atmosférica normal. Los investigadores utilizaron un láser multicolor para medir el brillo de su reflejo en la muestra presurizada. El brillo del reflejo del láser contenía información sobre el índice de refracción, una propiedad fundamental del material que describe cómo la luz se ralentiza y se dobla a medida que viaja a través del material, pero también la longitud del camino del láser dentro de la muestra. Los materiales con un alto índice de refracción y densidad, como los diamantes y los metales, suelen aparecer brillantes y brillantes a nuestros ojos. En lugar de observar las diminutas muestras a simple vista, Lobanov y sus colegas utilizaron un potente espectrómetro para registrar los cambios de brillo a alta presión. Estas medidas arrojaron el índice de refracción de SiO₂ vidrio y proporcionó información clave para cuantificar su densidad.

Importancia de la medición de la densidad de vidrios para las geociencias

"La Tierra era una bola gigante de roca fundida hace 4500 millones de años. Para entender cómo la Tierra se enfrió y produjo un manto y una corteza sólidos, necesitamos conocer las propiedades físicas de las rocas fundidas a presiones extremas. Sin embargo, estudiar los derretimientos a alta presión es extremadamente desafiante y para eludir algunos de estos desafíos, los geólogos eligen estudiar vidrios en lugar de fundidos. Los vidrios se producen enfriando rápidamente fundidos calientes pero viscosos. Como resultado, la estructura de los vidrios a menudo representa la estructura de los fundidos a partir de los cuales se formaron. Mediciones anteriores de densidad de vidrio a alta presión requería instalaciones de sincrotrón grandes y costosas que producen un haz de rayos X bien enfocado que se puede usar para ver la pequeña muestra en una celda de yunque de diamante.Estos fueron experimentos desafiantes y solo las densidades de muy pocos vidrios han se ha medido a una presión de 1 millón de atmósferas. Ahora hemos demostrado que la evolución del volumen de la muestra y la densidad de cualquier vidrio transparente puede ser ac midió cuidadosamente hasta presiones de al menos 110 GPa utilizando técnicas ópticas", dice Lobanov. "Esto se puede hacer fuera de las instalaciones de sincrotrón y, por lo tanto, es mucho más fácil y menos costoso. Nuestro trabajo, por lo tanto, allana el camino para futuros estudios de vidrios que se aproximen a las fusiones actuales y pasadas de la Tierra. Estos estudios futuros proporcionarán nuevas respuestas cuantitativas sobre la evolución de la Tierra primitiva, así como las fuerzas impulsoras detrás de las erupciones volcánicas".

Nuevas posibilidades para la investigación de sólidos no cristalinos, inicialmente no transparentes

Debido a que las muestras son extremadamente pequeñas y, por lo tanto, ultradelgadas, incluso los materiales que parecen un trozo de roca en pedazos grandes se vuelven translúcidos. Según los investigadores, estos desarrollos abren nuevas posibilidades para estudiar las propiedades mecánicas y electrónicas de los sólidos no cristalinos que parecen no transparentes en volúmenes más grandes. Según los autores del estudio, sus hallazgos tienen implicaciones de gran alcance para la ciencia de los materiales y la geofísica. Además, esta información podría servir como punto de referencia para estudios computacionales de las propiedades de transporte de vidrios y fundidos en condiciones extremas.

Lobanov enfatiza que este tipo de estudio solo fue posible gracias al ambiente colegiado en la GFZ. Dirige un grupo de jóvenes investigadores de Helmholtz llamado CLEAR en la sección "Química y física de los geomateriales". "Nuestras capacidades experimentales para sondear muestras a alta presión son solo una cosa", dice Lobanov, "al menos tan importantes fueron las discusiones con colegas en otras secciones, que me ayudaron a desarrollar las ideas e implementarlas".