Como en el centro del planeta Urano: cómo se comportan los materiales bajo presión extrema

Nov 17, 2023

Por Universidad de Bayreuth29 de diciembre de 2022

Las estructuras y propiedades de los materiales sometidos a presiones y temperaturas extremadamente altas siguen siendo en gran medida “terra incógnita”. El profesor Leonid Dubrovinsky y sus socios de investigación utilizan una celda de yunque de diamante de dos etapas calentada con láser que construyeron para la síntesis de materiales en el rango terapascal (1000 gigapascales). Para la caracterización estructural simultánea de los materiales se utiliza la difracción de rayos X in situ de monocristal. Crédito: Timofey Fedotenko

Un nuevo método permite por primera vez la investigación y el estudio de la síntesis de materiales en el rango terapascal.

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"}]"> Urano; son más de tres veces mayores que la presión en el centro de la Tierra. En la revista Nature, los investigadores presentan el método que han desarrollado para la síntesis y análisis estructural de nuevos materiales.

Los modelos teóricos predicen estructuras y propiedades muy inusuales de materiales en condiciones extremas de presión y temperatura. Pero hasta ahora, estas predicciones no se han podido verificar en experimentos con presiones de compresión de más de 200 gigapascales. Por un lado, se necesitan requisitos técnicos complejos para exponer muestras de materiales a presiones tan extremas y, por otro lado, faltaban métodos sofisticados para análisis estructurales simultáneos. Por lo tanto, los experimentos publicados en Nature abren dimensiones completamente nuevas para la cristalografía de alta presión: ahora se pueden crear y estudiar en el laboratorio materiales que existen, si es que existen, sólo bajo presiones extremadamente altas en la inmensidad del Universo.

“El método que hemos desarrollado nos permite por primera vez sintetizar nuevas estructuras materiales en el rango terapascal y analizarlas in situ, es decir, mientras el experimento aún está en marcha. De esta manera, aprendemos sobre estados, propiedades y estructuras de los cristales previamente desconocidos y podemos profundizar significativamente nuestra comprensión de la materia en general. Se pueden obtener conocimientos valiosos para la exploración de planetas terrestres y la síntesis de materiales funcionales utilizados en tecnologías innovadoras”, dijo el profesor Dr. Leonid Dubrovinsky del Instituto Bávaro de Investigación de Geoquímica y Geofísica Experimentales (BGI) de la Universidad de Bayreuth, autor principal. de la publicación.

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"}]"> aleación. Estos materiales se sintetizaron bajo presiones extremas en una celda de yunque de diamante de dos etapas calentada por rayos láser. La difracción de rayos X monocristalina sincrotrón permitió una caracterización química y estructural completa.

“El sistema renio-nitrógeno está lleno de sorpresas químicas. Esto nos llamó la atención hace varios años, cuando producimos un compuesto poroso inusual ReN10 a una presión de un millón de atmósferas, así como un conductor metálico superduro ReN2, que podía soportar incluso una compresión extremadamente alta. La síntesis a un terapascal finalmente nos permitió obtener una imagen completa de las transformaciones químicas que pueden ocurrir en el sistema Re-N en condiciones extremas”, dijo el Dr. Maxim Bykov del Instituto de Química Inorgánica de la Universidad de Colonia.

“Si en el futuro aplicamos cristalografía de alta presión en el rango de terapascal, podemos hacer más descubrimientos sorprendentes en esta dirección. Las puertas ahora están abiertas de par en par para la investigación creativa de materiales que generan y visualizan estructuras inesperadas bajo presiones extremas”, dijo la otra autora principal del estudio, la profesora Dra. Natalia Dubrovinskaia del Laboratorio de Cristalografía de la Universidad de Bayreuth.

Referencia: “Síntesis de materiales a presiones estáticas terapéuticas” por Leonid Dubrovinsky, Saiana Khandarkhaeva, Timofey Fedotenko, Dominique Laniel, Maxim Bykov, Carlotta Giacobbe, Eleanor Lawrence Bright, Pavel Sedmak, Stella Chariton, Vitali Prakapenka, Alena V. Ponomareva, Ekaterina A Smirnova, Maxim P. Belov, Ferenc Tasnadi, Nina Shulumba, Florian Trybel, Igor A. Abrikosov y Natalia Dubrovinskaia, 11 de mayo de 2022, Nature.DOI: 10.1038/s41586-022-04550-2

Together with the Bavarian Research Institute of Experimental Geochemistry and Geophysics (BGI) and the Laboratory of Crystallography at the University of Bayreuth, numerous other research partners were involved in the research work published in Nature: the University of Cologne, the University of Linköping, the German Electron Synchrotron DESYCommonly abbreviated as DESY, the Deutsches Elektronen-Synchrotron (English German Electron Synchrotron) is a national research center in Germany that operates particle accelerators used to investigate the structure of matter. It is a member of the Helmholtz Association and operates at sites in Hamburg and Zeuthen. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">DESY in Hamburg, the European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble and the Center for Advanced Radiation Sources at the University of ChicagoFounded in 1890, the University of Chicago (UChicago, U of C, or Chicago) is a private research university in Chicago, Illinois. Located on a 217-acre campus in Chicago's Hyde Park neighborhood, near Lake Michigan, the school holds top-ten positions in various national and international rankings. UChicago is also well known for its professional schools: Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School and the Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, and Pritzker School of Molecular Engineering." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Universidad de Chicago.