Żelazo jest szóstym najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie i najistotniejszym w jądrze Ziemi które współtworzy z niklem, stąd też dawniej określano je “Nife”. Jako kluczowy składnik planet podobnych do Ziemi, żelazo jest najszerzej zbadanym materiałem w ekstremalnych warunkach. Aby lepiej poznać strukturę oraz własności jądra naszej planety naukowcy próbują odtworzyć, z coraz większym powodzeniem, warunki niewyobrażalnie wielkiego ciśnienia tam panującego.
W trakcie serii badań prowadzonych przez Lab Yuan Ping za pomocą lasera OMEGA w Laboratorium Energetyki Laserowej (LLE) na Uniwersytecie w Rochester , naukowcy “ścisnęli” próbkę żelaza ciśnieniem 5,6 miliona atmosfer (5,6 miliona raza więcej niż wynosi ciśnienie na powierzchni kuli ziemskiej), jak dotąd rekordowym dla żelaza w formie ciała stałego. Nadzwyczajny rekord ciśnienia został osiągnięty przez kompresję wielu wstrząsów. Za pomocą serii wstrząsów prądu (zamiast jednego) utrzymuje się niską entropię w trakcie kompresji materiału, co jest kluczem do utrzymywania temperatury na poziomie niższym od temperatury topnienia co pozwala żelazu pozostać w stałym stanie skupienia. Badanie własności materiału w warunkach ekstremalnych jest równie ważne co otrzymanie jego stanu pod wysokim ciśnieniem. Zespół badaczy użył do tego celu techniki rentgenowskiej zwanej EXAFS (extended X-ray absorption fine structure). EXAFS jest potężnym narzędziem stosowanym w inżynierii materiałowej jednakże w warunkach ekstremalnych dopiero co zaczyna swoją działalność.
Wyniki analizy EXAFS pokazują że blisko upakowana struktura żelaza jest stabilna w badanych obszarach, i potwierdza przewidywania teoretyczne oraz wyniki badań dyfrakcji rentgenowskiej powyżej 3 milionów atmosfer. Nieoczekiwanie stwierdzono, że temperatura szczytowej kompresji jest znacznie wyższa niż w przypadku czystego ściskania żelaza. Dodatkowe ciepło jest generowane przez niesprężyste drgania sieci krystalicznej czyli jej pracę. Okazuje się że szybka kompresja sieci w ciągu kilku miliardowych sekundy wzmacnia strukturę żelaza czyniąc go bardziej wytrzymałym, prowadząc do “plastycznej” pracy i podwyższenia temperatury. “Zajęło nam to dwa lata, ale było warto. Obecnie będziemy pracować nad przeskalowaniem systemu laserów do większych rozmiarów, co pozwoli nam badać kolejne materiały w stanie wysokiej gęstości ” – powiedział Ping.
Źródło:
[1] Y. Ping, F. Coppari, D. G. Hicks, Phys. Rev. Lett. 111, 065501 (2013) Solid Iron Compressed Up to 560 GPa
[2] Pressure Gauge by William Warby, flickr.com, CC by 2.0