L'oro è un materiale estremamente importante per gli esperimenti ad alta pressione ed è considerato il "gold standard" per il calcolo della pressione negli esperimenti con cellule di incudine di diamante statiche. Quando compresso lentamente a temperatura ambiente (nell'ordine da secondi a minuti), l'oro preferisce essere la struttura cubica a facce centrate (fcc) a pressioni fino a tre volte il centro della Terra.

Però, ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e della Carnegie Institution di Washington hanno scoperto che quando l'oro viene compresso rapidamente in nanosecondi (1 miliardesimo di secondo), l'aumento della pressione e della temperatura modifica la struttura cristallina in una nuova fase dell'oro. Questa ben nota struttura cubica centrata sul corpo (bcc) si trasforma in una struttura cristallina più aperta rispetto alla struttura fcc. Questi risultati sono stati pubblicati di recente in Lettere di revisione fisica .

"Abbiamo scoperto una nuova struttura nell'oro che esiste a stati estremi:due terzi della pressione trovata al centro della Terra, " ha detto l'autore principale Richard Briggs, un ricercatore post-dottorato presso LLNL. "La nuova struttura in realtà ha un impaccamento meno efficiente a pressioni più elevate rispetto alla struttura di partenza, il che è stato sorprendente considerando la grande quantità di previsioni teoriche che indicavano strutture più fitte che dovrebbero esistere".

Gli esperimenti sono stati condotti presso il Dynamic Compression Sector (DCS) presso l'Advanced Photon Source, Laboratorio Nazionale Argonne. DCS è la prima struttura a raggi X di sincrotrone dedicata alla scienza della compressione dinamica. Questi esperimenti utente sono stati tra i primi condotti su hutch-C, la stazione laser dedicata ad alta energia di DCS. L'oro era il soggetto ideale da studiare a causa del suo alto Z (che fornisce un forte segnale di diffusione dei raggi X) e del diagramma di fase relativamente inesplorato ad alte temperature.

Il team ha scoperto che la struttura dell'oro ha iniziato a cambiare a una pressione di 220 GPa (2,2 milioni di volte la pressione atmosferica terrestre) e ha iniziato a sciogliersi quando compressa oltre i 250 GPa.

"L'osservazione dell'oro liquido a 330 GPa è sorprendente, "Ha detto Briggs. "Questa è la pressione al centro della Terra ed è più di 300 GPa superiore rispetto alle precedenti misurazioni dell'oro liquido ad alta pressione".

Il passaggio dalla struttura fcc a bcc è forse uno dei passaggi di fase più studiati per la sua importanza nella produzione dell'acciaio, dove alte temperature o stress provocano un cambiamento nella struttura tra le due strutture fcc/bcc. Però, non è noto quale meccanismo di transizione di fase sia responsabile. I risultati del team di ricerca mostrano che l'oro subisce la stessa transizione di fase prima di fondersi, come conseguenza sia della pressione che della temperatura, e futuri esperimenti incentrati sul meccanismo della transizione possono aiutare a chiarire i dettagli chiave di questa importante transizione per la produzione di acciai resistenti.

"Molti dei modelli teorici dell'oro utilizzati per comprendere il comportamento ad alta pressione/alta temperatura non prevedevano la formazione di una struttura centrata sul corpo:solo due degli oltre 10 lavori pubblicati, "Ha detto Briggs. "I nostri risultati possono aiutare i teorici a migliorare i loro modelli di elementi sottoposti a compressione estrema e guardare all'utilizzo di questi nuovi modelli per esaminare gli effetti del legame chimico per aiutare lo sviluppo di nuovi materiali che possono essere formati in stati estremi".