Er gebeuren bijzondere dingen met gewone materialen als ze worden blootgesteld aan zeer hoge druk en temperatuur. Natrium, een geleidend metaal in normale omstandigheden, wordt een transparante isolator; gasvormige waterstof wordt een vaste stof.

Maar het genereren van de terapascal-druk - dat is tien miljoen keer de atmosferische druk aan het aardoppervlak - die nodig is om de meest extreme omstandigheden in het laboratorium te onderzoeken, was alleen mogelijk met het gebruik van schokgolven, die gedurende een zeer korte tijd de druk genereren en vervolgens monsters vernietigen. Nu werkt een internationaal team bij het Amerikaanse Department of Energy' (DOE) Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science User Facility bij Argonne National Laboratory, heeft een methode bedacht om statische drukken te bereiken die veel hoger zijn dan ooit tevoren.

"Het bereiken van ultrahoge druk opent nieuwe horizonten voor een dieper begrip van materie, " zei Leonid Dubrovinsky, een wetenschapper aan de Universiteit van Bayreuth, Duitsland, die een van de ontwikkelaars van de nieuwe methode was. "Het is van groot belang voor de fundamentele wetenschappen, voor het modelleren van het interieur van reuzenplaneten en voor de ontwikkeling van nieuwe materialen met ongebruikelijke eigenschappen voor technologische toepassingen."

Met behulp van een innovatief nieuw apparaat dat transparante nanokristallijne diamanten gebruikt die voor deze toepassing zijn ontwikkeld, Natalia Dubrovinskaia, die de studie leidde, Dubrovinsky en medewerkers bereikten een druk die bijna 50 procent hoger was dan de hoogste statische druk die eerder werd bereikt met standaard enkeltraps diamanten aambeeldcellen.

"Het is een grote stap, " zei Vitali Prakapenka, een wetenschapper bij het Center for Advanced Radiation Sources van de University of Chicago die aan de experimenten werkte.

Dubrovinsky en collega's ontwierpen een versie van een dubbeltraps diamanten aambeeldcel die doorgaans wordt gebruikt om hoge drukken te genereren. Het traditionele apparaat werkt als een bankschroef die het monster tussen twee monokristallijne diamanten knijpt. Op het nieuwe apparaat een minuscule bal van nanokristallijne diamanten zit bovenop elke monokristallijne diamant. Terwijl de diamanten samen worden geperst, de belasting wordt overgedragen van de grotere diamant naar de nanobal. De nano-diamantballen comprimeren en worden zelfs harder, waardoor ze extreme druk kunnen genereren en weerstaan.

De onderzoekers breidden de mogelijkheden van het apparaat verder uit door een pakking te introduceren die fungeert als een secundaire drukkamer in de cel, waardoor ze zowel met gassen en vloeistoffen als met vaste stoffen kunnen werken.

De transparantie van de nieuwe nano-diamantballen opent de mogelijkheid om tegelijkertijd hoge druk en hoge temperatuur te bereiken. "We kunnen de krachtige laser door het diamanten aambeeld schijnen en ook door de nano-diamant, en verwarm het monster als het al onder druk staat, "zei Prakapenka. "En dan kunnen we de monstereigenschappen in situ onderzoeken met synchrotron-röntgentechnieken."

Dit vermogen om materie te onderzoeken bij ultrahoge statische druk heeft belangrijke implicaties voor het begrijpen van de fysica en chemie van materialen. De meest directe toepassing is de studie van de materialen die onder enorme druk staan ​​op het binnenste van de reuzenplaneten. Maar Prakapenka suggereert andere mogelijkheden.

"We kunnen absoluut nieuwe materialen synthetiseren met unieke eigenschappen die we nooit hadden voorspeld, ' zei hij. 'En we geloven dat er nog steeds materialen bestaan ​​die we alleen onder hoge druk kunnen synthetiseren, zoals supergeleiders, en dan afschrikken, brengen aan de omgevingsomstandigheden en het gebruik. In dit geval is het een zeer kleine hoeveelheid - het is slechts microns - maar voor de toekomstige toepassing in nanorobottechnologie, wie weet."

De groep werkte bij de GeoSoilEnviro Consortium for Advanced Radiation Sources (GSECARS) beamline, die wordt beheerd door de Universiteit van Chicago in Sector 13 van de APS. De hoge intensiteit en energie van de röntgenstralen van de APS waren cruciaal voor de experimenten. "De straal moet intens genoeg zijn om door het diamanten aambeeld en door het monster van één of twee micron te gaan en je genoeg statistieken te geven om diffractie van het monster te zien, "zei Prakapenka. "Je hebt een zeer hoge intensiteit nodig, hoogenergetische röntgenstralen om dat te doen. Het is alleen mogelijk bij synchrotrons van de derde generatie zoals APS."

Ook kritisch waren de monochromator van GSECARS, optica en beeldvormingssystemen, die de straal naar de monsterpositie brengen, focus het op een plek minder dan drie micron en laat de wetenschappers het monster in situ zien en analyseren.

De krant, "Terapascal statische drukgeneratie met ultrahoge vloeigrens nanodiamant, " werd op 20 juli gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .