Un equipo internacional que trabaja en Advanced Photon Source en Argonne National Laboratory ha ideado un método para lograr presiones estáticas mucho más altas que las alcanzadas anteriormente. Arriba:una imagen de una celda de yunque de diamante dentro de la cámara de presión. Tradicionalmente, una celda de yunque de diamante funciona como un tornillo de banco que aprieta la muestra entre dos diamantes monocristalinos para producir una presión extrema. En el nuevo dispositivo, una bola minúscula de diamantes nanocristalinos se asienta sobre cada diamante monocristalino. Mientras los diamantes se aprietan, la carga se transfiere del diamante más grande a la nano-bola. Esto hace que las bolas de nano-diamantes se compriman y se pongan más duras, permitiéndoles generar y soportar presiones extremas. Crédito:Imagen a través de Dubrovinskaia et al./ Science .
A los materiales ordinarios les suceden cosas extraordinarias cuando se someten a una presión y temperatura muy altas. Sodio, un metal conductor en condiciones normales, se convierte en un aislante transparente; el hidrógeno gaseoso se vuelve sólido.
Pero generar las presiones terapascales, que son diez millones de veces la presión atmosférica en la superficie de la tierra, necesarias para explorar las condiciones más extremas en el laboratorio solo ha sido posible con el uso de ondas de choque. que generan la presión por un tiempo muy corto y luego destruyen las muestras. Ahora, un equipo internacional que trabaja en la Fuente de Fotones Avanzados (APS) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional de Argonne, ha ideado un método para lograr presiones estáticas mucho más altas que las alcanzadas anteriormente.
"Alcanzar presiones ultra altas abre nuevos horizontes para una comprensión más profunda de la materia, "dijo Leonid Dubrovinsky, científico de la Universidad de Bayreuth, Alemania, quien fue uno de los desarrolladores del nuevo método. "Es de gran importancia para las ciencias fundamentales, para modelar el interior de planetas gigantes y para el desarrollo de materiales novedosos con propiedades inusuales para aplicaciones tecnológicas ".
Usando un dispositivo nuevo e innovador que emplea diamantes nanocristalinos transparentes desarrollado para esta aplicación, Natalia Dubrovinskaia, quien dirigió el estudio, Dubrovinsky y sus colaboradores lograron presiones casi un 50 por ciento más altas que la presión estática más alta alcanzada anteriormente con celdas de yunque de diamante de una sola etapa estándar.
Una celda de yunque de diamante de doble etapa montada en la línea de luz en la fuente de fotones avanzada. Crédito:Imagen cortesía de Vitali Prakapenka.
"Es un gran paso, "dijo Vitali Prakapenka, un científico del Centro de Fuentes de Radiación Avanzadas de la Universidad de Chicago que trabajó en los experimentos.
Dubrovinsky y sus colegas diseñaron una versión de una celda de yunque de diamante de doble etapa que normalmente se usa para generar altas presiones. El aparato tradicional funciona como un tornillo de banco que aprieta la muestra entre dos diamantes monocristalinos. En el nuevo dispositivo, una bola minúscula de diamantes nanocristalinos se asienta sobre cada diamante monocristalino. Mientras los diamantes se aprietan, la carga se transfiere del diamante más grande a la nano-bola. Las bolas de nano-diamantes se comprimen y se vuelven más duras, permitiéndoles generar y soportar presiones extremas.
Los investigadores ampliaron aún más las capacidades del aparato al introducir un conjunto de junta que actúa como una cámara de presión secundaria dentro de la celda. permitiéndoles trabajar tanto con gases y líquidos como con sólidos.
La transparencia de las nuevas bolas de nano-diamantes abre la posibilidad de lograr alta presión y alta temperatura simultáneamente. "Podemos hacer brillar el láser de alta potencia a través del yunque del diamante y también a través del nano-diamante, y calentar la muestra cuando ya esté presurizada, ", dijo Prakapenka." Y luego podemos probar las propiedades de la muestra in situ con técnicas de rayos X de sincrotrón ".
Leonid Dubrovinsky, científico de la Universidad de Bayreuth y coautor del estudio, en la línea de luz. Crédito:Imagen cortesía de Vitali Prakapenka.
Esta capacidad para sondear la materia a presiones estáticas ultraaltas tiene importantes implicaciones para comprender la física y la química de los materiales. La aplicación inmediata más directa es el estudio de los materiales sometidos a una tremenda presión en el interior de los planetas gigantes. Pero Prakapenka sugiere otras posibilidades.
"Podemos sintetizar materiales absolutamente nuevos con propiedades únicas que nunca hubiéramos predicho, ", dijo." Y creemos que todavía existen algunos materiales que podemos sintetizar solo a alta presión, como superconductores, y luego apaga, llevar a las condiciones ambientales y utilizar. En este caso, es una cantidad muy pequeña, solo micrones, pero para la aplicación futura en tecnología nanorobótica, quién sabe."
El grupo trabajó en la línea de luz del Consorcio GeoSoilEnviro para Fuentes de Radiación Avanzadas (GSECARS), que es operado por la Universidad de Chicago en el Sector 13 de la APS. La alta intensidad y energía de los rayos X del APS fueron cruciales para los experimentos. "El haz debe ser lo suficientemente intenso como para atravesar el yunque de diamante y la muestra de una o dos micras y brindarle suficientes estadísticas para ver la difracción de la muestra, ", dijo Prakapenka." Necesitas una intensidad muy alta, rayos X de alta energía para hacer eso. Solo es posible en sincrotrones de tercera generación como APS ".
También fueron críticos el monocromador de GSECARS, sistemas ópticos y de imágenes, que llevan el rayo a la posición de muestra, enfóquelo en un punto de menos de tres micrones y deje que los científicos vean y analicen la muestra in situ.
El papel, "Generación de presión estática terapascal con nanodiamante de límite elástico ultra alto, "fue publicado el 20 de julio en Avances de la ciencia .
