Goud is een uiterst belangrijk materiaal voor experimenten onder hoge druk en wordt beschouwd als de "gouden standaard" voor het berekenen van de druk in experimenten met statische diamanten aambeeldcellen. Wanneer langzaam gecomprimeerd bij kamertemperatuur (in de orde van seconden tot minuten), goud geeft de voorkeur aan de face-centered kubieke (fcc) structuur bij drukken tot drie keer het middelpunt van de aarde.

Echter, onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en de Carnegie Institution of Washington hebben ontdekt dat wanneer goud snel wordt gecomprimeerd gedurende nanoseconden (1 miljardste van een seconde), de toename van druk en temperatuur verandert de kristallijne structuur in een nieuwe fase van goud. Deze bekende lichaamsgecentreerde kubische (bcc) structuur verandert in een meer open kristalstructuur dan de fcc-structuur. Deze resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"We ontdekten een nieuwe structuur in goud die bestaat in extreme toestanden - tweederde van de druk in het centrum van de aarde, " zei hoofdauteur Richard Briggs, een postdoctoraal onderzoeker bij LLNL. "De nieuwe structuur heeft eigenlijk een minder efficiënte pakking bij hogere drukken dan de startstructuur, wat verrassend was gezien de enorme hoeveelheid theoretische voorspellingen die wezen op meer dicht opeengepakte structuren die zouden moeten bestaan."

De experimenten werden uitgevoerd bij de Dynamic Compression Sector (DCS) bij de Advanced Photon Source, Argonne Nationaal Laboratorium. DCS is de eerste synchrotron-röntgenfaciliteit die zich toelegt op dynamische compressiewetenschap. Deze gebruikersexperimenten waren enkele van de eerste die werden uitgevoerd op Hutch-C, het speciale hoogenergetische laserstation van DCS. Goud was het ideale onderwerp om te bestuderen vanwege zijn hoge Z (een sterk röntgenverstrooiingssignaal) en relatief onontgonnen fasediagram bij hoge temperaturen.

Het team ontdekte dat de structuur van goud begon te veranderen bij een druk van 220 GPa (2,2 miljoen keer de atmosferische druk van de aarde) en begon te smelten bij samendrukking boven 250 GPa.

"De waarneming van vloeibaar goud bij 330 GPa is verbazingwekkend, "Zei Briggs. "Dit is de druk in het centrum van de aarde en is meer dan 300 GPa hoger dan eerdere metingen van vloeibaar goud bij hoge druk."

De overgang van fcc naar bcc-structuur is misschien wel een van de meest bestudeerde faseovergangen vanwege het belang ervan bij de productie van staal, waar hoge temperaturen of stress een structuurverandering tussen de twee fcc/bcc-structuren veroorzaken. Echter, het is niet bekend welk faseovergangsmechanisme verantwoordelijk is. De resultaten van het onderzoeksteam laten zien dat goud dezelfde faseovergang ondergaat voordat het smelt, als gevolg van zowel druk als temperatuur, en toekomstige experimenten gericht op het mechanisme van de overgang kunnen helpen om de belangrijkste details van deze belangrijke overgang voor de productie van sterk staal te verduidelijken.

"Veel van de theoretische modellen van goud die worden gebruikt om het gedrag bij hoge druk/hoge temperatuur te begrijpen, voorspelden niet de vorming van een op het lichaam gecentreerde structuur - slechts twee van de meer dan 10 gepubliceerde werken, "Zei Briggs. "Onze resultaten kunnen theoretici helpen hun modellen van elementen onder extreme compressie te verbeteren en kijken naar het gebruik van die nieuwe modellen om de effecten van chemische binding te onderzoeken om de ontwikkeling van nieuwe materialen te helpen die in extreme toestanden kunnen worden gevormd."