Als twee superhelden die eindelijk hun krachten bundelen, De Z-machine van Sandia National Laboratories - generator van 's werelds krachtigste elektrische pulsen - en de National Ignition Facility van Lawrence Livermore National Laboratory - de meest energetische laserbron van de planeet - hebben in een reeks van 10 experimenten de reacties van goud en platina bij zo extreme druk gedetailleerd beschreven dat hun atomaire structuren tijdelijk vervormd zijn als beelden in een speelse spiegel.

Soortgelijke hogedrukveranderingen veroorzaakt in andere omgevingen hebben eigenaardigheden veroorzaakt zoals waterstof dat verschijnt als een metaalachtige vloeistof, helium in de vorm van regen en natrium een ​​transparant metaal. Maar tot nu toe was er geen manier om deze druk en reacties nauwkeurig te kalibreren, de eerste stap om ze te beheersen.

Zei Sandia-manager Chris Seagle, een auteur van een technisch artikel dat onlangs door het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap , "Onze experimenten zijn ontworpen om deze vervormingen in goud en platina als functie van de tijd te meten. Compressie geeft ons een meting van druk versus dichtheid."

Na experimenten op de twee grote machines, onderzoekers ontwikkelden tabellen met reacties van goud en platina op extreme druk. "Deze zullen een standaard bieden om toekomstige onderzoekers te helpen de reacties van andere metalen onder vergelijkbare stress te kalibreren, " zei Jean-Paul Davis, een andere auteur van een paper en Sandia's hoofdwetenschapper in een poging om op betrouwbare wijze extreme gegevens te categoriseren.

Gegevens gegenereerd door experimenten bij deze drukken - ongeveer 1,2 terapascal (een terapascal is 1 biljoen pascal), een hoeveelheid druk die relevant is voor nucleaire explosies - kan helpen bij het begrijpen van de samenstelling van exoplaneten, de effecten en resultaten van planetaire inslagen, en hoe de maan is ontstaan.

De technische eenheid die de pascal wordt genoemd, is zo klein dat hij vaak wordt gezien in zijn veelvouden van duizenden, miljoenen, miljarden of triljoenen. Het is misschien gemakkelijker om de schaal van deze effecten te visualiseren in termen van atmosferische drukeenheden. Het centrum van de aarde is ongeveer 3,6 miljoen keer de atmosferische druk op zeeniveau, of 3,6 miljoen atmosfeer. Z's gegevens bereikten 4 miljoen atmosfeer, of vier miljoen keer atmosferische druk op zeeniveau, terwijl de National Ignition Facility 12 miljoen atmosfeer bereikte.

De kracht van het diamanten aambeeld

Opmerkelijk, dergelijke drukken kunnen in het laboratorium worden gegenereerd door een eenvoudig compressieapparaat dat een diamanten aambeeld wordt genoemd.

Echter, "We hebben geen normen voor deze extreme drukbereiken, " zei Davis. "Terwijl onderzoekers interessante gebeurtenissen zien, ze worden belemmerd om ze met elkaar te vergelijken omdat wat een onderzoeker presenteert op 1,1 terapascals slechts 0,9 is op de schaal van een andere onderzoeker."

Wat nodig is, is een onderliggend kalibratiehulpmiddel, zoals de numerieke tabel die deze experimenten hebben helpen creëren, hij zei, zodat wetenschappers praten over resultaten die zijn bereikt bij dezelfde gedocumenteerde hoeveelheden druk.

"De Z-NIF-experimenten zullen dit bieden, ' zei Davy.

De algemene experimenten, onder leiding van Lawrence Livermore-onderzoeker D.E. Fratanduono, vertrouwde op de nauwkeurigheid van de Z-machine om de kracht van NIF te controleren.

de nauwkeurigheid van Z, De kracht van NIF

Z's kracht wordt gecreëerd door zijn krachtige schokloze magnetische veld, gegenereerd voor honderden nanoseconden door zijn 20 miljoen ampère puls. Ter vergelijking, een lamp van 120 watt verbruikt één ampère.

De nauwkeurigheid van deze methode heroriënteerde de hogere drukken die werden bereikt met behulp van NIF-methoden.

NIF's druk overschreed die in de kern van de planeet Saturnus, dat is 850 gigapascal. Maar zijn lasercompressie-experimenten vereisten soms een kleine schok aan het begin van de compressiegolf, het verhogen van de temperatuur van het materiaal, die metingen kunnen verstoren die bedoeld zijn om een ​​norm te stellen.

"Het punt van schokloze compressie is om de temperatuur relatief laag te houden voor de materialen die worden bestudeerd, "zei Seagle. "In feite verwarmt het materiaal als het wordt samengedrukt, maar het zou relatief koel moeten blijven - honderden graden - zelfs bij terapascal-druk. De eerste verwarming is een lastige start."

Een andere reden dat Z, die de helft van het aantal "shots, " of vuren, en ongeveer een derde van de gegevens, werd beschouwd als de standaard voor resultaten tot 400 gigapascal omdat de steekproefomvang van Z ongeveer 10 keer zo groot was:600 tot 1, 600 micron dik vergeleken met 60 tot 90 micron op NIF. Een micron is een duizendste van een millimeter.

grotere monsters, langzamere pulsen staan ​​gelijk aan gemakkelijkere metingen

"Omdat ze groter waren, Z's monsters waren minder gevoelig voor de microstructuur van het materiaal dan NIF's, " zei Davis. "Grotere monsters en langzamere pulsen zijn eenvoudigweg gemakkelijker te meten met een hoge relatieve precisie. Door de twee faciliteiten te combineren, werden de normen echt streng beperkt."

Het combineren van Z- en NIF-gegevens betekende dat de hogere nauwkeurigheid, maar Z-gegevens met een lagere intensiteit kunnen worden gebruikt om de respons van lage tot gemiddelde druk vast te stellen, en met wiskundige aanpassingen, verminder de fout op de NIF-gegevens onder hogere druk.

"Het doel van deze studie was om zeer nauwkeurige drukmodellen te produceren tot ongeveer één terapascal. Dat deden we, dus deze combinatie van faciliteiten is voordelig geweest, ' zei Seagle.