Исследователи под руководством Сергея Лобанова из Немецкого исследовательского центра геонаук GFZ разработали новый метод измерения плотности стекла диоксида кремния (SiO 2 ), одного из важнейших материалов в промышленности и геологии, при давлении до 110 гигапаскалей. в 1,1 миллиона раз превышает нормальное атмосферное давление. Вместо использования высокосфокусированного рентгеновского излучения на синхротронной установке они использовали белый лазерный луч и ячейку с алмазной наковальней. Исследователи сообщают о своем новом и простом методе в текущем выпуске Physical Review Letters.
В науках о земле плотность минералов, горных пород и расплавов при давлениях до нескольких миллионов атмосфер и температурах в несколько тысяч градусов имеет решающее значение, поскольку она определяет долгосрочную планетарную эволюцию, а также вулканические процессы. Но как можно измерить плотность материала в таких экстремальных условиях? Чтобы ответить на этот вопрос для кристаллического минерала или горной породы, ученые используют рентгеновскую дифракцию, с помощью которой измеряют расстояние между периодически расположенными атомами. Однако возникает проблема, если материал имеет неупорядоченную структуру, т.е. является некристаллическим, как стекло или расплавленная порода. В этом случае необходимо непосредственно измерить объем образца — плотность материала равна его массе, деленной на объем. Однако,высокое давление . Ранее для этих измерений требовались крупномасштабные рентгеновские установки и узкоспециализированное оборудование, поэтому они были очень дорогими. Сейчас группа под руководством ученого Сергея Лобанова из Немецкого исследовательского центра геонаук GFZ внедряет новый метод, в котором лазер размером с обувную коробку позволяет им измерять объем образцов, доведенных до давлений, аналогичных давлению на глубине более более 2000 км на Земле.
Внутри Земли горная порода находится под невообразимо высоким давлением , в несколько миллионов раз превышающим нормальное атмосферное давление. Однако, вопреки распространенному мнению, мантия Земли не жидкая, а твердая. Камень ведет себя вязкопластично: он смещается сантиметр за сантиметром в год, но от удара молотком он лопнул бы. Тем не менее, медленные движения приводят в движение плиты земной коры и тектонику, что, в свою очередь, вызывает вулканизм. Химические изменения, например, вызванные выдавливанием воды из субдуктированных плит земной коры, могут изменить температуру плавления породы таким образом, что внезапно образуется расплавленная магма. Когда эта магма пробивается к земной коре и на поверхность, происходят извержения вулканов.
Плотность неупорядоченных материалов
Ни один инструмент в мире не может проникнуть в мантию Земли для детального изучения таких процессов. Поэтому нужно полагаться на расчеты, сейсмические сигналы и лабораторные эксперименты, чтобы узнать больше о недрах Земли. Ячейка с алмазной наковальней может использоваться для создания чрезвычайно высоких давлений и температур, которые там преобладают. Исследуемые в нем образцы меньше кончика булавки. Их объем находится в субнанолитровом диапазоне. Когда материал сжимается под таким высоким давлением, внутренняя структура изменяется. Чтобы проанализировать это точно, рентгеновские лучи используются на кристаллах для создания дифракционных картин. Это позволяет делать выводы об объеме кристаллической решетки и, следовательно, о плотности материала. Некристаллические материалы, такие как стекла или расплавленные породы, до сих пор хранили свои сокровенные тайны при себе.
Простой трюк: измерение с помощью лазера вместо рентгеновского луча
С помощью простого трюка исследователям под руководством Сергея Лобанова удалось измерить показатель преломления и плотность стекла из диоксида кремния (SiO 2 ) ., один из важнейших материалов в промышленности и геологии, при давлении до 110 гигапаскалей. Это давление, которое преобладает на глубине более 2000 километров в недрах Земли и в 1,1 миллиона раз превышает нормальное атмосферное давление. Исследователи использовали многоцветный лазер для измерения яркости его отражения от образца под давлением. Яркость лазерного отражения содержала информацию о показателе преломления, фундаментальном свойстве материала, которое описывает, как свет замедляется и изгибается при прохождении через материал, а также о длине пути лазера внутри образца. Материалы с высоким показателем преломления и плотностью, такие как алмазы и металлы, обычно кажутся нашему глазу яркими и блестящими. Вместо того, чтобы смотреть на крошечные образцы невооруженным глазом, Лобанов и его коллеги использовали мощный спектрометр для регистрации изменений яркости при высоком давлении. Эти измерения далипоказатель преломления стекла SiO 2 и предоставил ключевую информацию для количественного определения его плотности.
Значение измерения плотности стекол для наук о Земле
Это были сложные эксперименты, и плотность очень небольшого количества стекол была измерена при давлении в 1 миллион атмосфер. Мы показали, что эволюция объема выборки иПлотность любого прозрачного стекла можно точно измерить при давлении не менее 110 ГПа с помощью оптических методов, — говорит Лобанов. — Это можно сделать вне синхротронного оборудования, и поэтому это намного проще и дешевле. Таким образом, наша работа прокладывает путь к будущим исследованиям стекол, которые приближаются к нынешним и давно исчезнувшим расплавам Земли. Эти будущие исследования дадут новые количественные ответы об эволюции ранней Земли, а также о движущих силах вулканических извержений».
Новые возможности исследования некристаллических, изначально непрозрачных твердых тел
Поскольку образцы чрезвычайно малы и, следовательно, ультратонки, даже материалы, которые выглядят как большие куски камня, становятся прозрачными. По словам исследователей, эти разработки открывают новые возможности для изучения механических и электронных свойств некристаллических твердых тел, которые кажутся непрозрачными в больших объемах. По словам авторов исследования, их выводы имеют далеко идущие последствия для материаловедения и геофизики. Кроме того, эта информация может служить ориентиром для расчетных исследований транспортных свойств стекол и расплавов в экстремальных условиях.
Лобанов подчеркивает, что такая учеба стала возможной только благодаря коллегиальной среде в ГФЗ. Он возглавляет группу молодых исследователей Гельмгольца под названием CLEAR в секции «Химия и физика геоматериалов». «Наши экспериментальные возможности по зондированию образцов при высоком давлении — это только одно, — говорит Лобанов, — не менее важными были обсуждения с коллегами из других отделов, которые помогли мне разработать идеи и реализовать их».
Теги: лазер
