Forskare under ledning av Sergey Lobanov från GFZ German Research Center for Geosciences har utvecklat en ny metod för att mäta densiteten av kiseldioxid (SiO₂ ) glas, ett av de viktigaste materialen inom industri och geologi, vid tryck på upp till 110 gigapascal, 1,1 miljoner gånger högre än normalt atmosfärstryck. Istället för att använda högfokuserade röntgenstrålar vid en synkrotronanläggning använde de en vit laserstråle och en diamantstädcell. Forskarna rapporterar om sin nya och enkla metod i det aktuella numret av Physical Review Letters .

Inom geovetenskap är tätheten av mineraler, bergarter och smältor vid tryck upp till flera miljoner atmosfärer och temperaturer på flera tusen grader av avgörande betydelse eftersom den styr den långsiktiga planetariska utvecklingen såväl som vulkaniska processer. Men hur kan ett materials densitet mätas vid så extrema förhållanden? För att svara på denna fråga för ett kristallint mineral eller en sten använder forskare röntgendiffraktion med vilken man mäter avståndet mellan de periodiskt arrangerade atomerna. Det finns emellertid ett problem om materialet har en oordnad struktur, d.v.s. är icke-kristallint, som glas eller smält sten. I det här fallet måste provets volym mätas direkt - densiteten hos ett material är lika med dess massa dividerat med volymen. Sådana mätningar är emellertid extremt svåra på grund av den lilla volymen av provet som bringas till högt tryck. Tidigare krävde dessa mätningar storskaliga röntgenanläggningar och högspecialiserad utrustning och var därför mycket dyra. Nu introducerar ett team under ledning av forskaren Sergey Lobanov från GFZ German Research Center for Geosciences en ny metod där en laser i storleken av en skokartong låter dem mäta volymen av prover som har ett tryck liknande det på djupet av mer än 2000 km i jorden.

Inne på jorden är berget under ofattbart högt tryck, upp till flera miljoner gånger högre än normalt atmosfärstryck. Men i motsats till vad många tror är jordens mantel inte flytande, utan fast. Stenen beter sig på ett viskoplastiskt sätt:Den rör sig centimeter för centimeter per år, men den skulle spricka vid ett hammarslag. Ändå driver de långsamma rörelserna jordens jordskorpans plattor och tektonik, vilket i sin tur utlöser vulkanism. Kemiska förändringar, till exempel orsakade av vatten som pressats ut ur subducerade skorpplattor, kan förändra bergets smältpunkt på ett sådant sätt att det plötsligt bildas smält magma. När denna magma tar sig till jordskorpan och till ytan uppstår vulkanutbrott.

Täthet av oordnade material

Inget instrument i världen kan penetrera jordens mantel för att studera sådana processer i detalj. Därför måste man förlita sig på beräkningar, seismiska signaler och laboratorieexperiment för att lära sig mer om jordens inre. En diamantstädcell kan användas för att generera de extremt höga tryck och temperaturer som råder där. Proverna som utforskas i den är mindre än spetsen på en stift. Deras volym ligger i intervallet under nanoliter. När material komprimeras under så höga tryck förändras den inre strukturen. För att analysera detta exakt används röntgenstrålar på kristaller för att generera diffraktionsmönster. Detta gör det möjligt att dra slutsatser om volymen av kristallgittret och därmed även materialets densitet. Icke-kristallina material, som glas eller smält sten, har hittills behållit sina innersta hemligheter för sig själva. Detta beror på att röntgendiffraktion för oordnade material inte ger direkt information om deras volym och densitet.

Enkelt knep:Mätning med laser istället för röntgenstråle

Med ett enkelt knep har forskare under ledning av Sergey Lobanov nu lyckats mäta brytningsindex och densitet för kiseldioxid (SiO₂ ) glas, ett av de viktigaste materialen inom industri och geologi, vid tryck på upp till 110 gigapascal. Detta är ett tryck som råder på mer än 2 000 kilometers djup i jordens inre och som är 1,1 miljoner gånger högre än normalt atmosfärstryck. Forskarna använde en flerfärgslaser för att mäta ljusstyrkan hos dess reflektion från det trycksatta provet. Ljusstyrkan hos laserreflektionen innehöll information om brytningsindex, en grundläggande materialegenskap som beskriver hur ljus saktar ner och böjer sig när det färdas genom materialet, men också laserns väglängd inuti provet. Material med ett högt brytningsindex och hög densitet, såsom diamanter och metaller, ser vanligtvis ljusa och glänsande ut för våra ögon. Istället för att titta på de små proverna med blotta ögat använde Lobanov och hans kollegor en kraftfull spektrometer för att registrera förändringar i ljusstyrka vid högt tryck. Dessa mätningar gav brytningsindex för SiO₂ glas och gav nyckelinformation för att kvantifiera dess densitet.

Betydningen av densitetsmätningen av glasögon för geovetenskapen

"Jorden var en gigantisk boll av smält sten för 4,5 miljarder år sedan. För att förstå hur jorden har svalnat och producerat en solid mantel och skorpa måste vi känna till de fysikaliska egenskaperna hos smält sten vid extremt tryck. Men att studera smältor vid högt tryck är extremt utmanande och för att kringgå några av dessa utmaningar väljer geologer att studera glas istället för smältor. Glas framställs genom att snabbt kyla heta men trögflytande smältor. Som ett resultat av detta representerar glasens struktur ofta strukturen av smältor de bildades av. Tidigare mätningar av glasdensitet vid högt tryck krävde stora och dyra synkrotronanläggningar som producerar en tätt fokuserad stråle av röntgenstrålar som kan användas för att se det lilla provet i en diamantstädcell. Dessa var utmanande experiment och endast densiteterna för mycket få glas har har uppmätts till ett tryck på 1 miljon atmosfärer. Vi har nu visat att utvecklingen av provvolymen och densiteten för vilket transparent glas som helst kan vara ac noggrant mätt upp till tryck på minst 110 GPa med hjälp av optiska tekniker," säger Lobanov. "Detta kan göras utanför synkrotronanläggningar och är därför mycket enklare och billigare. Vårt arbete banar därmed vägen för framtida studier av glasögon som approximerar jordens nuvarande och sedan länge borta smältor. Dessa framtida studier kommer att ge nya kvantitativa svar om utvecklingen av den tidiga jorden såväl som drivkrafterna bakom vulkanutbrott."

Nya möjligheter för undersökning av icke-kristallina, initialt icke-transparenta fasta ämnen

Eftersom proverna är extremt små och därför ultratunna, blir även material som ser ut som en stenklump i stora bitar genomskinliga. Enligt forskarna öppnar denna utveckling nya möjligheter för att studera de mekaniska och elektroniska egenskaperna hos icke-kristallina fasta ämnen som verkar otransparenta i större volymer. Enligt författarna till studien har deras resultat långtgående konsekvenser för materialvetenskap och geofysik. Dessutom skulle denna information kunna fungera som ett riktmärke för beräkningsstudier av transportegenskaper hos glas och smältor under extrema förhållanden.

Lobanov betonar att denna typ av studier endast möjliggjordes av den kollegiala miljön vid GFZ. Han leder en Helmholtz Young Investigator Group som heter CLEAR i avsnittet "Chemistry and Physics of Geomaterials". "Vår experimentella förmåga att undersöka prover vid högt tryck är bara en sak", säger Lobanov, "minst lika viktiga var diskussionerna med kollegor i andra sektioner, vilket hjälpte mig att utveckla idéerna och implementera dem."