Onderzoekers onder leiding van Sergey Lobanov van het GFZ German Research Center for Geosciences hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de dichtheid van siliciumdioxide te meten (SiO₂ ) glas, een van de belangrijkste materialen in de industrie en de geologie, bij drukken tot 110 gigapascal, 1,1 miljoen keer hoger dan de normale atmosferische druk. In plaats van sterk gefocuste röntgenstralen in een synchrotronfaciliteit te gebruiken, gebruikten ze een witte laserstraal en een diamanten aambeeldcel. De onderzoekers rapporteren over hun nieuwe en eenvoudige methode in het huidige nummer van Physical Review Letters .

In de geowetenschappen is de dichtheid van mineralen, gesteenten en smelten bij drukken tot enkele miljoenen atmosferen en temperaturen van enkele duizenden graden van cruciaal belang, omdat het zowel de planetaire evolutie op lange termijn als vulkanische processen beheerst. Maar hoe kan de dichtheid van een materiaal onder zulke extreme omstandigheden worden gemeten? Om deze vraag voor een kristallijn mineraal of een gesteente te beantwoorden, gebruiken wetenschappers röntgendiffractie waarmee men de afstand tussen de periodiek gerangschikte atomen meet. Er is echter een probleem als het materiaal een ongeordende structuur heeft, d.w.z. niet-kristallijn is, zoals glas of gesmolten gesteente. In dit geval moet het volume van het monster direct worden gemeten - de dichtheid van een materiaal is gelijk aan de massa gedeeld door het volume. Dergelijke metingen zijn echter buitengewoon moeilijk vanwege het kleine volume van het monster dat onder hoge druk wordt gebracht. Voorheen waren voor deze metingen grootschalige röntgenfaciliteiten en zeer gespecialiseerde apparatuur nodig, waardoor ze erg duur waren. Nu introduceert een team onder leiding van wetenschapper Sergey Lobanov van het GFZ German Research Center for Geosciences een nieuwe methode waarbij een laser ter grootte van een schoenendoos hen in staat stelt het volume van monsters te meten die op een druk worden gebracht die vergelijkbaar is met die op de diepte van meer dan 2000 km in de aarde.

Binnen in de aarde staat het gesteente onder onvoorstelbaar hoge druk, tot enkele miljoenen keren hoger dan de normale atmosferische druk. In tegenstelling tot wat algemeen wordt aangenomen, is de aardmantel echter niet vloeibaar, maar vast. Het gesteente gedraagt ​​zich viscoplastisch:het beweegt centimeter voor centimeter per jaar, maar het zou barsten onder een hamerslag. Niettemin drijven de langzame bewegingen de aardkorstplaten en tektoniek aan, die op hun beurt vulkanisme veroorzaken. Chemische veranderingen, bijvoorbeeld veroorzaakt door water dat uit ondergedompelde aardkorstplaten wordt geperst, kunnen het smeltpunt van het gesteente zodanig veranderen dat er plotseling gesmolten magma ontstaat. Wanneer dit magma zijn weg vindt naar de aardkorst en naar de oppervlakte, vinden er vulkaanuitbarstingen plaats.

Dichtheid van ongeordende materialen

Geen enkel instrument ter wereld kan de aardmantel binnendringen om dergelijke processen in detail te bestuderen. Daarom moet men vertrouwen op berekeningen, seismische signalen en laboratoriumexperimenten om meer te weten te komen over het binnenste van de aarde. Een diamanten aambeeldcel kan worden gebruikt om de extreem hoge drukken en temperaturen te genereren die daar heersen. De monsters die erin worden onderzocht, zijn kleiner dan de punt van een speld. Hun volume ligt in het sub-nanoliterbereik. Wanneer materiaal onder zulke hoge druk wordt samengeperst, verandert de interne structuur. Om dit precies te analyseren, worden röntgenstralen op kristallen gebruikt om diffractiepatronen te genereren. Hierdoor kunnen conclusies worden getrokken over het volume van het kristalrooster en dus ook over de dichtheid van het materiaal. Niet-kristallijne materialen, zoals glazen of gesmolten gesteenten, hebben tot nu toe hun diepste geheimen voor zichzelf gehouden. Dit komt omdat voor ongeordende materialen röntgendiffractie geen directe informatie geeft over hun volume en dichtheid.

Eenvoudige truc:meten met laser in plaats van röntgenstraal

Met een simpele truc zijn onderzoekers onder leiding van Sergey Lobanov er nu in geslaagd de brekingsindex en dichtheid van siliciumdioxide te meten (SiO₂ ) glas, een van de belangrijkste materialen in de industrie en de geologie, met een druk tot 110 gigapascal. Dit is een druk die heerst op een diepte van meer dan 2000 kilometer in het binnenste van de aarde en 1,1 miljoen keer hoger is dan de normale atmosferische druk. De onderzoekers gebruikten een veelkleurige laser om de helderheid van de reflectie van het onder druk staande monster te meten. De helderheid van de laserreflectie bevatte informatie over de brekingsindex, een fundamentele materiaaleigenschap die beschrijft hoe licht vertraagt ​​en buigt terwijl het door het materiaal reist, maar ook over de padlengte van de laser in het monster. Materialen met een hoge brekingsindex en dichtheid, zoals diamanten en metalen, zien er doorgaans helder en glanzend uit voor ons oog. In plaats van met het blote oog naar de minuscule monsters te kijken, gebruikten Lobanov en zijn collega's een krachtige spectrometer om veranderingen in helderheid bij hoge druk vast te leggen. Deze metingen leverden de brekingsindex van SiO₂ . op glas en verschafte belangrijke informatie om de dichtheid te kwantificeren.

Betekenis van de dichtheidsmeting van glazen voor de geowetenschappen

"De aarde was 4,5 miljard jaar geleden een gigantische bal van gesmolten gesteente. Om te begrijpen hoe de aarde is afgekoeld en een stevige mantel en korst heeft geproduceerd, moeten we de fysische eigenschappen van gesmolten gesteente onder extreme druk kennen. Het bestuderen van smelten bij hoge druk is echter extreem uitdagend en om sommige van deze uitdagingen te omzeilen kiezen geologen ervoor om glas te bestuderen in plaats van smelten.Glazen worden geproduceerd door hete maar viskeuze smelten snel af te koelen.Als gevolg hiervan vertegenwoordigt de structuur van glas vaak de structuur van smelt waaruit ze zijn gevormd.Eerdere metingen van glasdichtheid bij hoge druk vereiste grote en dure synchrotronfaciliteiten die een strak gefocuste bundel röntgenstralen produceren die kunnen worden gebruikt om het kleine monster in een diamanten aambeeldcel te bekijken.Dit waren uitdagende experimenten en slechts de dichtheden van zeer weinig glazen hebben gemeten tot een druk van 1 miljoen atmosfeer. We hebben nu aangetoond dat de evolutie van het monstervolume en de dichtheid van elk transparant glas ac nauwkeurig gemeten tot een druk van ten minste 110 GPa met behulp van optische technieken", zegt Lobanov. "Dit kan worden gedaan buiten de synchrotron-faciliteiten en is daarom veel gemakkelijker en goedkoper. Ons werk maakt dus de weg vrij voor toekomstige studies van glazen die de huidige en lang vervlogen smeltingen van de aarde benaderen. Deze toekomstige studies zullen nieuwe kwantitatieve antwoorden geven over de evolutie van de vroege aarde en de drijvende krachten achter vulkaanuitbarstingen."

Nieuwe mogelijkheden voor het onderzoek van niet-kristallijne, aanvankelijk niet-transparante vaste stoffen

Omdat de monsters extreem klein en daarom ultradun zijn, worden zelfs materialen die eruitzien als een klomp steen in grote stukken doorschijnend. Volgens de onderzoekers openen deze ontwikkelingen nieuwe mogelijkheden voor het bestuderen van de mechanische en elektronische eigenschappen van niet-kristallijne vaste stoffen die in grotere volumes ondoorzichtig lijken. Volgens de auteurs van de studie hebben hun bevindingen verstrekkende implicaties voor materiaalwetenschap en geofysica. Bovendien zou deze informatie als maatstaf kunnen dienen voor computationele studies van de transporteigenschappen van glas en smelt onder extreme omstandigheden.

Lobanov benadrukt dat dit soort onderzoek alleen mogelijk is gemaakt door de collegiale omgeving van het GFZ. Hij leidt een Helmholtz Young Investigator Group genaamd CLEAR in de sectie "Chemistry and Physics of Geomaterials". "Onze experimentele mogelijkheden om monsters onder hoge druk te onderzoeken is maar één ding", zegt Lobanov, "minstens zo belangrijk waren de discussies met collega's in andere secties, die me hielpen de ideeën te ontwikkelen en te implementeren."