För första gången, forskare vid University of Bayreuth och Karlsruhe Institute of Technology (KIT) har lyckats tillämpa kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi i experiment som analyserar materialprover under mycket högt tryck som liknar trycket i jordens nedre mantel. Processen som presenteras i Vetenskapliga framsteg förväntas förbättra vår förståelse av elementära partiklar, som ofta uppför sig annorlunda under högt tryck än de gör under normala förhållanden. Det förutses att uppmuntra tekniska innovationer och också för att möjliggöra nya insikter om jordens inre och jordens historia, särskilt, förutsättningarna för livets ursprung.

Diamanter sätter materia under högt tryck

Högtrycksforskning inom geovetenskap och materialvetenskap är känd för att leda till upptäckten av några fascinerande och helt oväntade fenomen. Under extremt högt tryck, material som normalt inte är ledande blir supraledare; uppenbarligen enkla fasta kroppar antar plötsligt mycket komplexa kristallina strukturer; de minsta elementära partiklarna som elektroner och protoner uppvisar oförutsägbara egenskaper. University of Bayreuths bayerska forskningsinstitut för experimentell geokemi och geofysik (BGI) är ett av världens ledande centra för högtrycksforskning. 2016, ett team av forskare vid BGI uppnådde ett tryck på över en terapascal för första gången i sina experiment inom materialvetenskap - det är tre gånger högre än trycket i mitten av jorden. Dessa trycknivåer genereras i extremt små utrymmen i diamantstädceller. Med dessa enheter, materialprover placeras mellan huvuden på två diamanter som är placerade exakt mittemot varandra och utövar extremt högt tryck på materialet.

På det här sättet, Röntgenkristallografi har lett till några överraskande upptäckter om materiens strukturer och beteende gång på gång. Dock, NMR -spektroskopi - som används, till exempel, för att klargöra strukturer och interaktioner mellan biomolekyler - hade ännu inte använts i högtrycksforskning. Det stod ett tekniskt hinder i vägen:tills nu, det var knappast möjligt för de magnetfält som var viktiga för NMR att fokusera på de små proverna i diamantstädcellerna och mäta de signaler som sålunda produceras.

Magnetiska linser kombinerade med diamanter

Dock, i augusti 2017 publicerade forskare vid KIT:s Institute of Microstructure Technology en ny metod som gör att NMR -spektroskopi kan användas för mycket exakta experiment i små utrymmen. Genom att göra så, de gjorde relevanta förbättringar av magnetlinser som kallas "Lenz -linser" (uppkallad efter den tyska fysikern Emil Lenz, 1804-1865). "Dessa forskningsresultat i Karlsruhe föreslog omedelbart för oss här i Bayreuth att Lenz -linser kan installeras i diamantstädcellerna för att möjliggöra NMR -experiment vid höga tryck, "rapporterade professor Dr. Leonid Dubrovinsky, högtrycksforskare i Bayreuth. Tillsammans med Dr Sylvain Petitgirard och Dr Thomas Meier från BGI, Dubrovinsky kom i kontakt med Prof. Dr. Jan Korvinks forskarteam i Karlsruhe. På bara kort tid, Ett intensivt samarbete gjorde att diamanterna i städcellerna kunde kombineras med Lenz-linserna så att materialproverna inneslutna i cellerna kunde undersökas med NMR-spektroskopi. I inledande experiment, proverna utsattes för tryck på 72 gigapascal (720, 000 barer), på nivåerna i jordens nedre mantel.

Nya utsikter för forskning och innovation

"Portföljen av röntgenkristallografiprocesser som hittills varit tillgängliga för oss för högtrycksforskning inom geovetenskap och materialvetenskap har utökats avsevärt tack vare tillägget av NMR-spektroskopi. De möjliga användningsområdena kan inte ens förutses ännu. Vi kan nu studera beteendet hos elektroner och atomkärnor i system som är viktiga i fysik och geologi med en mycket högre grad av precision än tidigare, "förklarade Dubrovinsky." Dessa fynd kan främja innovativ utveckling, t.ex. inom energi eller medicinsk teknik. En dag, de kan till och med hjälpa oss att lösa den stora gåtan om hur livet uppstod på jorden, "Sa Dubrovinsky.