Как в центре планеты Уран: как материалы ведут себя под экстремальным давлением

Nov 17, 2023

Автор: Университет Байройта, 29 декабря 2022 г.

Структуры и свойства материалов при экстремально высоких давлениях и температурах до сих пор во многом остаются «терра инкогнита». Профессор Леонид Дубровинский и его партнеры по исследованиям используют построенную ими двухступенчатую ячейку с алмазными наковальнями с лазерным нагревом для синтеза материалов в терапаскальском диапазоне (1000 гигапаскалей). Рентгеновская дифракция монокристаллов in situ используется для одновременной структурной характеристики материалов. Фото: Тимофей Федотенко.

Новый метод впервые позволяет проводить исследования по синтезу материалов в терапаскальном диапазоне.

Jules Verne could not have dreamed of this: A research team from the University of Bayreuth, together with international partners including scientists from the University of Cologne’s Department of Chemistry, has pushed the boundaries of high-pressure and high-temperature research into cosmic dimensions. They succeeded in generating and simultaneously analyzing materials under compression pressures of more than one terapascal (1,000 gigapascals) for the first time. Such extremely high pressures prevail, for example, at the center of the planet UranusUranus is the seventh farthest planet from the sun. It has the third-largest diameter and fourth-highest mass of planets in our solar system. It is classified as an "ice giant" like Neptune. Uranus' name comes from a Latinized version of the Greek god of the sky." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Уран; они более чем в три раза превышают давление в центре Земли. В журнале Nature исследователи представляют разработанный ими метод синтеза и структурного анализа новых материалов.

Теоретические модели предсказывают очень необычные структуры и свойства материалов в условиях экстремальных температур и давления. Но пока эти предсказания не удалось проверить в экспериментах при давлениях сжатия более 200 гигапаскалей. С одной стороны, необходимы сложные технические требования для того, чтобы подвергать образцы материалов такому экстремальному давлению, а с другой стороны, отсутствовали сложные методы одновременного структурного анализа. Таким образом, эксперименты, опубликованные в журнале Nature, открывают совершенно новые измерения для кристаллографии высокого давления: теперь можно создавать и изучать в лаборатории материалы, которые существуют – если вообще существуют – только под чрезвычайно высокими давлениями на просторах Вселенной.

«Разработанный нами метод впервые позволяет нам синтезировать новые материальные структуры в терапаскальном диапазоне и анализировать их in situ, то есть: пока эксперимент еще продолжается. Таким образом, мы узнаем о ранее неизвестных состояниях, свойствах и структурах кристаллов и можем значительно углубить наше понимание материи в целом. Ценная информация может быть получена для исследования планет земной группы и синтеза функциональных материалов, используемых в инновационных технологиях», — профессор д-р Леонид Дубровинский из Баварского научно-исследовательского института экспериментальной геохимии и геофизики (BGI) в Университете Байройта, ведущий автор публикации.

In their study, the researchers show how they have generated and visualized in situ novel rhenium compounds using the now-developed method. The compounds in question are a novel rhenium nitride (Re7N3) and a rhenium-nitrogen alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> сплав. Эти материалы были синтезированы при экстремальных давлениях в двухступенчатой ​​ячейке с алмазными наковальнями, нагреваемой лазерными лучами. Синхротронная монокристаллическая рентгеновская дифракция позволила получить полную химическую и структурную характеристику.

«Система Рений-азот полна химических сюрпризов. Оно привлекло наше внимание несколько лет назад, когда мы создали необычный пористый состав ReN10 при давлении в один миллион атмосфер, а также сверхтвердый металлический проводник ReN2, способный выдерживать даже чрезвычайно сильное сжатие. Синтез при мощности в один терапаскаль наконец позволил нам получить полную картину химических превращений, которые могут происходить в системе Re-N в экстремальных условиях», — рассказал доктор Максим Быков из Института неорганической химии Кёльнского университета.