Voor de eerste keer, onderzoekers van de Universiteit van Bayreuth en het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) zijn erin geslaagd nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie toe te passen in experimenten die materiaalmonsters analyseren onder zeer hoge druk die vergelijkbaar is met de druk in de onderste mantel van de aarde. Het proces gepresenteerd in wetenschappelijke vooruitgang zal naar verwachting ons begrip van elementaire deeltjes verbeteren, die zich onder hoge druk vaak anders gedragen dan onder normale omstandigheden. Er wordt voorspeld dat het technologische innovaties aanmoedigt en ook nieuwe inzichten mogelijk maakt in het binnenste van de aarde en de geschiedenis van de aarde, vooral, de voorwaarden voor het ontstaan ​​van het leven.

Diamanten zetten materie onder hoge druk

Hogedrukonderzoek in de geowetenschappen en materiaalkunde staat erom bekend dat het heeft geleid tot de ontdekking van enkele fascinerende en volledig onverwachte verschijnselen. Onder extreem hoge druk, materialen die normaal gesproken niet geleidend zijn, worden supergeleiders; ogenschijnlijk eenvoudige vastestoflichamen nemen plotseling zeer complexe kristallijne structuren aan; de kleinste elementaire deeltjes zoals elektronen en protonen vertonen onvoorspelbare eigenschappen. Het Beierse onderzoeksinstituut voor experimentele geochemie en geofysica (BGI) van de Universiteit van Bayreuth is een van 's werelds toonaangevende centra voor hogedrukonderzoek. in 2016, een team van onderzoekers van het BGI bereikte voor het eerst een druk van meer dan één terapascal in hun experimenten in materiaalkunde - dat is drie keer hoger dan de druk in het centrum van de aarde. Deze drukniveaus worden gegenereerd in extreem kleine ruimtes in diamanten aambeeldcellen. Met behulp van deze apparaten, materiaalmonsters worden tussen de koppen van twee diamanten geplaatst die precies tegenover elkaar liggen en een extreem hoge druk uitoefenen op het materiaal.

Op deze manier, Röntgenkristallografie heeft keer op keer geleid tot enkele verrassende ontdekkingen over de structuren en het gedrag van materie. Echter, NMR-spectroscopie - die wordt gebruikt, bijvoorbeeld, om de structuren en interacties van biomoleculen te verduidelijken - was nog niet gebruikt in hogedrukonderzoek. Er stond een technisch obstakel in de weg:tot nu toe het was nauwelijks mogelijk voor de magnetische velden die belangrijk zijn voor NMR om zich te concentreren op de minuscule monsters in de diamanten aambeeldcellen en om de signalen die zo worden geproduceerd te meten.

Magnetische lenzen gecombineerd met diamanten

Echter, in augustus 2017 publiceerden wetenschappers van het KIT's Institute of Microstructure Technology een nieuwe methode waarmee NMR-spectroscopie kan worden gebruikt voor zeer nauwkeurige experimenten in kleine ruimtes. Daarbij, ze hebben relevante verbeteringen aangebracht aan magnetische lenzen die bekend staan ​​als "Lenz-lenzen" (vernoemd naar de Duitse natuurkundige Emil Lenz, 1804-1865). "Deze onderzoeksresultaten in Karlsruhe suggereerden ons hier in Bayreuth onmiddellijk dat Lenz-lenzen in de diamanten aambeeldcellen zouden kunnen worden geïnstalleerd om NMR-experimenten bij hoge druk mogelijk te maken, " meldde Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky, hogedrukonderzoeker in Bayreuth. Samen met Dr. Sylvain Petitgirard en Dr. Thomas Meier van BGI, Dubrovinsky nam contact op met het team van onderzoekers van prof.dr. Jan Korvink in Karlsruhe. In slechts een korte tijd, Door intensieve samenwerking konden de diamanten in de aambeeldcellen worden gecombineerd met de Lenz-lenzen, zodat de in de cellen ingesloten materiaalmonsters met NMR-spectroscopie konden worden onderzocht. In de eerste experimenten, de monsters werden blootgesteld aan een druk van 72 gigapascal (720, 000 bar), op de niveaus in de onderste mantel van de aarde.

Nieuwe perspectieven voor onderzoek en innovatie

"Het portfolio van röntgenkristallografieprocessen dat ons tot nu toe ter beschikking stond voor hogedrukonderzoek in de geowetenschappen en materiaalkunde is aanzienlijk uitgebreid dankzij de toevoeging van NMR-spectroscopie. De mogelijke toepassingsgebieden zijn nog niet eens te voorzien. We kunnen nu het gedrag van elektronen en atoomkernen in systemen die belangrijk zijn in de natuurkunde en geologie met een veel hogere mate van precisie bestuderen dan voorheen, " legde Dubrovinsky uit. "Deze bevindingen kunnen innovatieve ontwikkelingen bevorderen, bijv. in energie of medische technologie. Op een dag, ze kunnen ons zelfs helpen het grote raadsel op te lossen over hoe het leven op aarde is ontstaan, ' zei Dubrovinsky.