Un team internazionale che lavora presso l'Advanced Photon Source presso l'Argonne National Laboratory ha ideato un metodo per raggiungere pressioni statiche di gran lunga superiori a quelle raggiunte in precedenza. Sopra:un'immagine di una cella a incudine diamantata all'interno della camera di pressione. Tradizionalmente, una cella a incudine di diamante funziona come una morsa che stringe il campione tra due diamanti a cristallo singolo per produrre una pressione estrema. Nel nuovo dispositivo, una minuscola sfera di diamanti nanocristallini si trova sopra ogni diamante monocristallino. Mentre i diamanti vengono schiacciati insieme, il carico viene trasferito dal diamante più grande alla nanosfera. Questo fa sì che le sfere di nano-diamante si comprimano e in realtà diventino più dure, consentendo loro di generare e resistere a pressioni estreme. Credito:immagine via Dubrovinskaia et al./Scienza .
Cose straordinarie accadono ai materiali ordinari quando sono sottoposti a pressioni e temperature molto elevate. Sodio, un metallo conduttivo in condizioni normali, diventa un isolante trasparente; l'idrogeno gassoso diventa solido.
Ma generare le pressioni terapascal - dieci milioni di volte la pressione atmosferica sulla superficie terrestre - necessarie per esplorare le condizioni più estreme in laboratorio è stato possibile solo con l'uso di onde d'urto, che generano la pressione per un tempo brevissimo e poi distruggono i campioni. Ora un team internazionale che lavora presso l'Advanced Photon Source (APS) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), un DOE Office of Science User Facility presso l'Argonne National Laboratory, ha ideato un metodo per raggiungere pressioni statiche di gran lunga superiori a quelle precedentemente raggiunte.
"Il raggiungimento di pressioni ultra elevate apre nuovi orizzonti per una comprensione più profonda della materia, " disse Leonid Dubrovinsky, uno scienziato dell'Università di Bayreuth, Germania, che era uno degli sviluppatori del nuovo metodo. "È di grande importanza per le scienze fondamentali, per modellare l'interno di pianeti giganti e per lo sviluppo di nuovi materiali con proprietà insolite per applicazioni tecnologiche."
Utilizzando un nuovo dispositivo innovativo che impiega diamanti nanocristallini trasparenti sviluppati per questa applicazione, Natalia Dubrovinskaia, che ha condotto lo studio, Dubrovinsky e collaboratori hanno raggiunto pressioni di quasi il 50 percento superiori alla pressione statica più alta raggiunta in precedenza con le celle a incudine diamantate standard a stadio singolo.
Una cella a incudine diamantata a doppio stadio montata sulla linea di luce dell'Advanced Photon Source. Credito:Immagine gentilmente concessa da Vitali Prakapenka.
"È un passo enorme, " disse Vitali Prakapenka, uno scienziato del Center for Advanced Radiation Sources dell'Università di Chicago che ha lavorato agli esperimenti.
Dubrovinsky e colleghi hanno progettato una versione di una cella a incudine diamantata a doppio stadio tipicamente utilizzata per generare alte pressioni. L'apparato tradizionale funziona come una morsa che stringe il campione tra due diamanti monocristallo. Nel nuovo dispositivo, una minuscola sfera di diamanti nanocristallini si trova sopra ogni diamante monocristallino. Mentre i diamanti vengono schiacciati insieme, il carico viene trasferito dal diamante più grande alla nanosfera. Le sfere di nano-diamante si comprimono e in realtà diventano più dure, consentendo loro di generare e resistere a pressioni estreme.
I ricercatori hanno ulteriormente esteso le capacità dell'apparato introducendo un gruppo di guarnizioni che funge da camera di pressione secondaria all'interno della cella, permettendo loro di lavorare con gas e liquidi oltre che con solidi.
La trasparenza delle nuove sfere in nano-diamante apre la possibilità di raggiungere contemporaneamente alta pressione e alta temperatura. "Possiamo far brillare il laser ad alta potenza attraverso l'incudine di diamante e anche attraverso il nano-diamante, e riscaldare il campione quando è già pressurizzato, " ha detto Prakapenka. "E possiamo quindi sondare le proprietà del campione in situ con tecniche di raggi X di sincrotrone".
Leonid Dubrovinsky, scienziato e coautore dello studio dell'Università di Bayreuth, alla linea di luce. Credito:Immagine gentilmente concessa da Vitali Prakapenka.
Questa capacità di sondare la materia a pressioni statiche ultra elevate ha importanti implicazioni per la comprensione della fisica e della chimica dei materiali. L'applicazione immediata più diretta è allo studio dei materiali sottoposti a una pressione tremenda all'interno dei pianeti giganti. Ma Prakapenka suggerisce altre possibilità.
"Possiamo sintetizzare materiali assolutamente nuovi con proprietà uniche che non avremmo mai previsto, " ha detto. "E crediamo che esistano ancora alcuni materiali che possiamo sintetizzare solo ad alta pressione, come i superconduttori, e poi spegnersi, portare alle condizioni ambientali e all'uso. In questo caso è una quantità molto piccola, solo micron, ma per la futura applicazione nella tecnologia nanorobotica, chi lo sa."
Il gruppo ha lavorato presso la linea di luce del GeoSoilEnviro Consortium for Advanced Radiation Sources (GSECARS), che è gestito dall'Università di Chicago nel settore 13 dell'APS. L'alta intensità e l'energia dei raggi X dell'APS sono state cruciali per gli esperimenti. "Il raggio dovrebbe essere abbastanza intenso da passare attraverso l'incudine di diamante e attraverso il campione da uno o due micron e fornire statistiche sufficienti per vedere la diffrazione dal campione, " ha detto Prakapenka. "Hai bisogno di un'intensità molto alta, raggi X ad alta energia per farlo. È possibile solo con sincrotroni di terza generazione come l'APS".
Critici sono stati anche il monocromatore di GSECARS, ottica e sistemi di imaging, che portano il raggio nella posizione del campione, concentralo su un punto inferiore a tre micron e lascia che gli scienziati vedano e analizzino il campione in situ.
La carta, "Generazione di pressione statica terapascal con nanodiamante ad altissima resistenza allo snervamento, " è stato pubblicato il 20 luglio in Progressi scientifici .
