Een innovatieve röntgenmethode maakt nieuwe hogedrukonderzoeken van monsters onder diepe mantelomstandigheden mogelijk. De techniek, die is ontwikkeld door een team onder leiding van Georg Spiekermann van DESY, het Duitse onderzoekscentrum voor Geowetenschappen GFZ en de Universiteit van Potsdam, breidt het scala aan instrumenten dat beschikbaar is voor hogedrukonderzoekers uit. Succesvolle tests van de nieuwe methode bij DESY's röntgenlichtbron PETRA III ondersteunen het idee dat zware elementen zich moeten ophopen in magma's, zodat ze stabiel kunnen zijn op diepten van de onderste aardmantel. De wetenschappers presenteren hun werk in het tijdschrift Fysieke beoordeling X .

De zogenaamde standaardvoorwaarden van de chemie, d.w.z. een temperatuur van 25 graden Celsius en een druk van 1013 millibar, zijn eigenlijk zeldzaam van aard. De meeste materie in het universum bestaat onder totaal verschillende omstandigheden. In het binnenste van de aarde, bijvoorbeeld, druk en temperatuur stijgen snel tot vele malen de standaardomstandigheden. "Echter, zelfs met de meest uitgebreide diepe boringen, alleen het bovenste deel van de aardkorst is toegankelijk, benadrukt Spiekermann. Onderzoekers simuleren daarom de omstandigheden van het binnenste van de aarde in het laboratorium om het gedrag van materie onder deze omstandigheden te onderzoeken.

Dergelijke experimenten omvatten vaak het bepalen van de binnenstructuur van de monsters, die in veel materialen verandert met toenemende druk. Deze innerlijke structuur kan worden onderzocht met röntgenstralen die energetisch genoeg zijn om door het monster te dringen en kort genoeg in golflengte om de kleine details van atomaire afstanden op te lossen. Voor dit doeleinde, meestal bestaan ​​er twee op röntgenstraling gebaseerde methoden in hogedrukonderzoek:absorptie en diffractie van röntgenstralen door het monster.

Op basis van röntgenstraling, Spiekermann en zijn team hebben nu een derde methode ontwikkeld waarmee zowel de bindingsafstanden in gecomprimeerde amorfe (wanordelijke) materie als het zogenaamde coördinatiegetal kunnen worden bepaald, die aangeeft hoeveel directe buren een atoom heeft. Deze parameters kunnen worden afgelezen uit de energie en intensiteit van de straling van een bepaalde emissielijn van het monster, genaamd Kβ" ("K-beta-doubleprime"). De Kβ"-straling wordt gegenereerd wanneer het monster wordt geëxciteerd met röntgenstralen. De energie van de emissielijn hangt af van het coördinatiegetal, de intensiteit op de hechtafstand.

Experimenten op het proefstation P01 bij DESY's röntgenbron PETRA III hebben de nieuwe methode bevestigd. "We hebben dit laten zien, gebruikmakend van het spectrum van germanium in gecomprimeerd amorf germaniumdioxide, maar deze procedure kan ook worden toegepast op andere chemische systemen, ’, zegt Spiekermann.

De methode biedt wetenschappers een extra techniek om de structuur van hogedrukmonsters te onderzoeken. "Het inzicht van een nieuwe meetmethode is vooral welkom wanneer verschillende methoden tot nu toe significant verschillende resultaten hebben opgeleverd, zoals in het geval van samengeperst amorf germaniumdioxide, " legt DESY-onderzoeker Hans-Christian Wille uit, hoofd van het meetstation P01 waar de experimenten plaatsvonden.

Voor hun experimenten, de onderzoekers stelden monsters van germaniumdioxide (GeO2) bloot aan een druk tot 100 gigapascal, ongeveer een miljoen keer zoveel als de atmosferische druk op zeeniveau. Deze druk komt overeen met een diepte van 2200 kilometer in de onderste mantel van de aarde. Uit de metingen blijkt dat het coördinatiegetal van germaniumdioxide zelfs onder deze extreme druk niet hoger dan zes komt. Dit betekent dat zelfs in de hogedrukfase, de germaniumatomen hebben elk nog zes naburige atomen zoals reeds bij 15 gigapascal.

Dit resultaat is van groot belang voor de verkenning van het binnenste van de aarde, omdat germaniumdioxide dezelfde structuur heeft en zich gedraagt ​​als siliciumdioxide (SiO2), wat het hoofdbestanddeel is van natuurlijke magma's in het algemeen. Aangezien smelten zoals magma over het algemeen een lagere dichtheid hebben dan de vaste vorm van hetzelfde materiaal, het is lange tijd een mysterie geweest waarom magma's op grote diepte in geologische perioden niet naar de oppervlakte stijgen.

"Hier zijn twee mogelijke verklaringen voor, een chemische, de andere structurele, Spiekermann legt uit. "Ofwel zware elementen zoals ijzer hopen zich op in de smelt, of er is een speciaal verdichtingsmechanisme in smelten dat smelt dichter maakt dan kristallijne vormen van dezelfde samenstelling." Dit laatste zou merkbaar zijn, onder andere, door een verhoging van het coördinatiegetal onder hoge druk.

"Onze onderzoeken tonen aan dat tot 100 gigapascal het coördinatiegetal in niet-kristallijn germaniumdioxide niet hoger is dan in de overeenkomstige kristallijne vorm, " meldt de onderzoeker. Toegepast op siliciumdioxide, dit betekent dat magma met een hogere dichtheid alleen kan worden geproduceerd door relatief zware elementen zoals ijzer te verrijken. De samenstelling en structuur van de ondermantel hebben verstrekkende gevolgen voor het wereldwijde warmtetransport en de voortplanting van het aardmagnetisch veld.