Strukturer och egenskaper hos material vid extremt höga tryck och temperaturer är fortfarande till stor del "terra incognita". Prof. Leonid Dubrovinsky och hans forskningspartners använder en laseruppvärmd tvåstegs diamantstädcell som de konstruerade för syntes av material i terapascal-intervallet (1000 gigapascal). In situ enkristallröntgendiffraktion används för samtidig strukturell karakterisering av materialen. Kredit:Timofey Fedotenko.
Jules Verne kunde inte ens drömma om detta:En forskargrupp från University of Bayreuth har tillsammans med internationella partners flyttat gränserna för högtrycks- och högtemperaturforskning till kosmiska dimensioner. För första gången har de lyckats generera och samtidigt analysera material under kompressionstryck på mer än en terapascal (1 000 gigapascal). Sådana extremt höga tryck råder till exempel i centrum av planeten Uranus; de är mer än tre gånger högre än trycket i jordens mitt. I naturen , presenterar forskarna den metod de har utvecklat för syntes och strukturanalys av nya material.
Teoretiska modeller förutsäger mycket ovanliga strukturer och egenskaper hos material under extrema tryck-temperaturförhållanden. Men än så länge har dessa förutsägelser inte kunnat verifieras i experiment vid kompressionstryck på mer än 200 gigapascal. Dels krävs komplexa tekniska krav för att utsätta materialprover för sådana extrema tryck, dels saknades sofistikerade metoder för samtidiga strukturella analyser. Experimenten publicerade i Nature öppnar därför upp helt nya dimensioner för högtryckskristallografi:material kan nu skapas och studeras i laboratoriet som existerar – om alls – bara under extremt höga tryck i universums vidd.
"Den metod vi har utvecklat gör det möjligt för oss att för första gången syntetisera nya materialstrukturer i terapascalområdet och analysera dem på plats – det vill säga:medan experimentet fortfarande pågår. På så sätt lär vi oss om tidigare okända tillstånd, egenskaper and structures of crystals and can significantly deepen our understanding of matter in general. Valuable insights can be gained for the exploration of terrestrial planets and the synthesis of functional materials used in innovative technologies," explains Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky of the Bavarian Geoinstitute ( BGI) at the University of Bayreuth, the first author of the publication.
In their new study, the researchers show how they have generated and visualized in situ novel rhenium compounds using the now discovered method. The compounds in question are a novel rhenium nitride (Re₇N₃) and a rhenium-nitrogen alloy. These materials were synthesized under extreme pressures in a two-stage diamond anvil cell heated by laser beams. Synchrotron single-crystal X-ray diffraction enabled full chemical and structural characterization.
"Two and a half years ago, we were very surprised in Bayreuth when we were able to produce a superhard metallic conductor based on rhenium and nitrogen that could withstand even extremely high pressures. If we apply high-pressure crystallography in the terapascal range in the future, we may make further surprising discoveries in this direction. The doors are now wide open for creative materials research that generates and visualizes unexpected structures under extreme pressures," says the study's lead author, Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia from the Laboratory of Crystallography at the University of Bayreuth. + Utforska vidare
