Per la prima volta, i ricercatori dell'Università di Bayreuth e del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) sono riusciti ad applicare la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) in esperimenti che analizzano campioni di materiale a una pressione molto elevata, simile alla pressione nel mantello inferiore della Terra. Il processo presentato in Progressi scientifici dovrebbe migliorare la nostra comprensione delle particelle elementari, che spesso si comportano in modo diverso ad alta pressione rispetto a condizioni normali. Si prevede che incoraggi le innovazioni tecnologiche e consenta anche nuove intuizioni sull'interno della terra e sulla storia della terra, in particolare, le condizioni per le origini della vita.

I diamanti mettono la materia sotto pressione

La ricerca ad alta pressione nelle geoscienze e nella scienza dei materiali è nota per aver portato alla scoperta di alcuni fenomeni affascinanti e del tutto inaspettati. Sotto pressione estremamente elevata, i materiali normalmente non conduttivi diventano superconduttori; corpi allo stato solido apparentemente semplici assumono improvvisamente strutture cristalline altamente complesse; le particelle elementari più piccole come elettroni e protoni mostrano proprietà imprevedibili. L'Istituto bavarese di ricerca di geochimica e geofisica sperimentale (BGI) dell'Università di Bayreuth è uno dei centri leader a livello mondiale per la ricerca ad alta pressione. Nel 2016, un team di ricercatori del BGI ha raggiunto per la prima volta una pressione di oltre un terapascal nei loro esperimenti nella scienza dei materiali, che è tre volte superiore alla pressione al centro della terra. Questi livelli di pressione sono generati in spazi estremamente piccoli nelle celle a incudine diamantate. Utilizzando questi dispositivi, i campioni di materiale sono posti tra le teste di due diamanti che sono posizionati esattamente uno di fronte all'altro ed esercitano una pressione estremamente elevata sul materiale.

In questo modo, La cristallografia a raggi X ha portato ripetutamente ad alcune scoperte sorprendenti sulle strutture e sul comportamento della materia. Però, Spettroscopia NMR - che viene utilizzata, Per esempio, per chiarire le strutture e le interazioni delle biomolecole - non era ancora stato utilizzato nella ricerca ad alta pressione. C'era un ostacolo tecnico in mezzo:fino ad ora, era quasi impossibile per i campi magnetici importanti per l'NMR concentrarsi sui piccoli campioni nelle cellule dell'incudine di diamante e misurare i segnali che vengono così prodotti.

Lenti magnetiche abbinate a diamanti

Però, nell'agosto 2017 gli scienziati dell'Institute of Microstructure Technology del KIT hanno pubblicato un nuovo metodo che consente di utilizzare la spettroscopia NMR per esperimenti altamente precisi in spazi minuscoli. Così facendo, hanno apportato miglioramenti rilevanti alle lenti magnetiche note come "lenti di Lenz" (dal nome del fisico tedesco Emil Lenz, 1804-1865). "Questi risultati della ricerca a Karlsruhe ci hanno immediatamente suggerito qui a Bayreuth che le lenti Lenz potrebbero essere installate nelle celle dell'incudine di diamante per consentire esperimenti NMR ad alte pressioni, " ha riferito il Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky, ricercatore ad alta pressione a Bayreuth. Insieme al Dr. Sylvain Petitgirard e al Dr. Thomas Meier di BGI, Dubrovinsky si è messo in contatto con il team di ricercatori del Prof. Dr. Jan Korvink a Karlsruhe. In poco tempo, un'intensa cooperazione ha permesso di combinare i diamanti nelle celle dell'incudine con le lenti Lenz in modo tale che i campioni di materiale racchiusi nelle celle potessero essere esaminati con la spettroscopia NMR. Nei primi esperimenti, i campioni sono stati esposti a pressioni di 72 gigapascal (720, 000 bar), ai livelli del mantello inferiore della Terra.

Nuove prospettive per la ricerca e l'innovazione

"Il portafoglio di processo di cristallografia a raggi X che era a nostra disposizione fino ad ora per la ricerca ad alta pressione nelle geoscienze e nella scienza dei materiali è stato notevolmente ampliato grazie all'aggiunta della spettroscopia NMR. Le possibili aree di applicazione non possono ancora essere previste. Ora possiamo studiare il comportamento di elettroni e nuclei atomici in sistemi importanti in fisica e geologia con un grado di precisione molto più elevato rispetto a prima, " ha spiegato Dubrovinsky. "Questi risultati potrebbero far avanzare sviluppi innovativi, per esempio. nell'energia o nella tecnologia medica. Un giorno, possono anche aiutarci a risolvere il grande enigma di come è nata la vita sulla Terra, " Disse Dubrovinskij.