Ett internationellt team som arbetar vid Advanced Photon Source vid Argonne National Laboratory har tagit fram en metod för att uppnå statiskt tryck betydligt högre än vad som tidigare uppnåtts. Ovan:en bild av en diamantstädcell inuti tryckkammaren. Traditionellt, en diamantstädcell fungerar som ett skruvstycke som klämmer provet mellan två enkristalliga diamanter för att producera extremt tryck. I den nya enheten, en liten boll av nanokristallina diamanter sitter ovanpå varje enkristall diamant. När diamanterna pressas ihop, lasten överförs från den större diamanten till nanokulan. Detta gör att nanodiamantkulorna komprimeras och faktiskt blir svårare, så att de både kan generera och motstå extrema påfrestningar. Upphovsman:Bild via Dubrovinskaia et al./Science .
Extraordinära saker händer med vanliga material när de utsätts för mycket högt tryck och temperatur. Natrium, en ledande metall under normala förhållanden, blir en transparent isolator; gasformigt väte blir ett fast ämne.
Men att generera terapaskaltrycket - det är tio miljoner gånger atmosfärstrycket vid jordytan - som behövs för att utforska de mest extrema förhållandena i laboratoriet har varit möjligt endast med användning av chockvågor, som genererar trycket under mycket kort tid och sedan förstör prover. Nu ett internationellt team som arbetar vid U.S. Department of Energy (DOE) Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science User Facility vid Argonne National Laboratory, har utvecklat en metod för att uppnå statiskt tryck betydligt högre än vad som tidigare uppnåtts.
"Att uppnå ultrahögt tryck öppnar nya horisonter för en djupare förståelse av materia, "sade Leonid Dubrovinsky, en forskare vid University of Bayreuth, Tyskland, som var en av utvecklarna av den nya metoden. "Det är av stor betydelse för de grundläggande vetenskaperna, för modellering av inre av gigantiska planeter och för utveckling av nya material med ovanliga egenskaper för tekniska tillämpningar. "
Med hjälp av en innovativ ny enhet som använder transparenta nanokristallina diamanter utvecklade för denna applikation, Natalia Dubrovinskaia, som ledde studien, Dubrovinsky och medarbetare uppnådde tryck nästan 50 procent högre än det högsta statiska trycket som uppnåtts tidigare med vanliga enstegs diamantstädceller.
En dubbelstegs diamantstädcell monterad vid balklinjen vid Advanced Photon Source. Upphovsman:Bild med tillstånd av Vitali Prakapenka.
"Det är ett stort steg, "sa Vitali Prakapenka, en forskare vid Center for Advanced Radiation Sources vid University of Chicago som arbetat med experimenten.
Dubrovinsky och kollegor designade en version av en dubbelstegs diamantstamcell som vanligtvis används för att generera höga tryck. Den traditionella apparaten fungerar som ett skruvstycke som klämmer provet mellan två enkristalliga diamanter. I den nya enheten, en liten boll av nanokristallina diamanter sitter ovanpå varje enkristall diamant. När diamanterna pressas ihop, lasten överförs från den större diamanten till nanokulan. Nano-diamantbollarna komprimeras och blir faktiskt svårare, så att de både kan generera och motstå extrema påfrestningar.
Forskarna utökade ytterligare apparatens kapacitet genom att införa en packningsenhet som fungerar som en sekundär tryckkammare inuti cellen, så att de kan arbeta med gaser och vätskor samt fasta ämnen.
Genomskinligheten hos de nya nanodiamantkulorna öppnar möjligheten att uppnå högt tryck och hög temperatur samtidigt. "Vi kan lysa högeffektlasern genom diamantstädet och genom nanodiamanten också, och värm provet när det redan är trycksatt, "sa Prakapenka." Och vi kan sedan undersöka provets egenskaper in situ med synkrotronröntgentekniker. "
University of Bayreuth-forskare och studieförfattare Leonid Dubrovinsky vid balklinjen. Upphovsman:Bild med tillstånd av Vitali Prakapenka.
Denna förmåga att sondera materia vid ultrahöga statiska tryck har viktiga konsekvenser för att förstå materialens fysik och kemi. Den mest direkta omedelbara tillämpningen är att studera materialen under enormt tryck på de inre av de gigantiska planeterna. Men Prakapenka föreslår andra möjligheter.
"Vi kan syntetisera helt nya material med unika egenskaper som vi aldrig skulle ha förutsagt, "sa han." Och vi tror att det fortfarande finns vissa material som vi bara kan syntetisera vid högt tryck, som superledare, och sedan släcka, få till omgivningsförhållanden och användning. I det här fallet är det en mycket liten mängd - det är bara mikron - men för framtida tillämpning inom nanorobotisk teknik, vem vet."
Gruppen arbetade på GeoSoilEnviro Consortium for Advanced Radiation Sources (GSECARS) beamline, som drivs av University of Chicago vid Sektor 13 i APS. Den höga intensiteten och energin hos APS:s röntgenstrålar var avgörande för experimenten. "Strålen ska vara tillräckligt intensiv för att gå igenom diamantstädet och genom ett- eller två-mikronprovet och ge dig tillräckligt med statistik för att se diffraktion från provet, "sa Prakapenka." Du behöver mycket hög intensitet, högenergiröntgen för att göra det. Det är bara möjligt vid tredje generationens synkrotroner som APS. "
Avgörande var också GSECARS monokromator, optik- och bildsystem, som för strålen till provläget, fokusera ner det till en plats mindre än tre mikron och låt forskarna se och analysera provet in situ.
Pappret, "Terapascal statisk tryckgenerering med nanodiamond med ultrahög kapacitet, "publicerades den 20 juli Vetenskapliga framsteg .
