28 марта, 2024

hleb

Находите все последние статьи и смотрите телешоу, репортажи и подкасты, связанные с Россией.

Свойства горных пород при экстремальном давлении трудно измерить. Ученые предлагают простое решение очень сложной проблемы

Исследователи под руководством Сергея Лобанова из немецкого Центра исследований Земли GFZ разработали новый метод измерения плотности диоксида кремния (SiO).2) Стекло, один из важнейших материалов в промышленности и геологии, находится при давлении до 110 гигапаскалей, что в 1,1 миллиона раз превышает нормальное атмосферное давление. Вместо использования высокосфокусированного рентгеновского излучения на синхротронной установке они использовали белый лазерный луч и ячейку с алмазной наковальней. Исследователи сообщают о своем новом и простом методе в текущем выпуске журнала. Письма о физическом обзоре.

Задача измерения плотности в экстремальных условиях

В науках о Земле плотность минералов и горных пород и их плавление при давлении в несколько миллионов атмосфер и температуре в несколько тысяч градусов имеют решающее значение, поскольку они определяют долговременную планетарную эволюцию, а также вулканические процессы. Но как можно измерить плотность вещества в таких экстремальных условиях? Чтобы ответить на этот вопрос для кристаллического минерала или горной породы, ученые используют рентгеновскую дифракцию, с помощью которой измеряют расстояние между периодически расположенными атомами. Однако возникает проблема, если материал имеет неправильную структуру, то есть некристаллическую, такую ​​как стекло или расплавленная порода. В этом случае объем образца необходимо измерять непосредственно — плотность вещества равна его массе, деленной на объем. Однако такие измерения очень сложны из-за небольшого размера образца при повышенном давлении. Ранее для этих измерений требовались обширные рентгеновские установки и узкоспециализированное оборудование, и поэтому они были очень дорогими. Теперь группа под руководством ученого Сергея Лобанова из Немецкого исследовательского центра геонаук GFZ представляет новый метод, в котором лазер размером с обувную коробку позволяет довести объем образцов до давления, аналогичного давлению на большей глубине. От 2000 км на земле.

Внутри Земли горные породы подвергаются невообразимо высокому давлению, в несколько миллионов раз превышающему нормальное атмосферное давление. Однако, вопреки распространенному мнению, мантия Земли не жидкая, а твердая. Камень ведет себя вязко-пластично: он перемещается на сантиметры в год, но взрывается под ударом молотка. Однако медленные движения подталкивают кору и тектонические плиты, что, в свою очередь, приводит к вулканам. Химические изменения, например, вызванные давлением воды из плит земной коры, могут изменить температуру плавления горных пород таким образом, что они внезапно образуются из расплавленной магмы. Когда эта магма пробивается в земную кору и выходит на поверхность, происходят извержения вулканов.

READ  Исследование плаценты может помочь объяснить потерю беременности

Плотность турбулентного материала

В мире нет прибора, способного проникнуть в мантию Земли для детального изучения таких процессов. Поэтому необходимо полагаться на расчеты, сейсмические сигналы и лабораторные эксперименты, чтобы узнать больше о недрах Земли. Ячейку с алмазной наковальней можно использовать для создания чрезвычайно высоких давлений и температур, которые там преобладают. Исследуемые там экземпляры меньше кончика булавки. Его объем находится в диапазоне нанолитров (например, по крайней мере в 10 миллионов раз меньше, чем 1 миллилитр). Когда материалы сжимаются под этим высоким давлением, внутренняя структура изменяется. Чтобы точно проанализировать это, рентгеновские лучи на кристаллах используются для создания дифракционных картин. Это позволяет делать выводы о размере кристаллической решетки и, следовательно, о плотности материала. Некристаллические материалы, такие как стекло или расплавленная порода, до сих пор хранят свои внутренние тайны. Это связано с тем, что рентгеновская дифракция неупорядоченных материалов не дает прямой информации об их размере и плотности.

Простой трюк: измеряйте с помощью лазера вместо рентгеновского луча

С помощью простого трюка исследователям под руководством Сергея Лобанова удалось измерить показатель преломления и плотность диоксида кремния (SiO).2) Стекло, один из важнейших материалов в промышленности и геологии, с давлением до 110 ГПа. Это давление преобладает на глубине более 2000 км в недрах Земли и в 1,1 млн раз превышает нормальное атмосферное давление. Исследователи использовали многоцветный лазер для измерения яркости его отражения от сжатого образца. Яркость отражения лазера содержала информацию о показателе преломления, фундаментальном свойстве материала, которое описывает, как свет замедляется и изгибается при прохождении через материал, а также описывает длину пути лазера внутри образца. Материалы с высоким показателем преломления и высокой плотностью, такие как алмаз и металл, кажутся нашим глазам яркими и блестящими. Вместо того, чтобы смотреть на небольшие образцы невооруженным глазом, Лобанов и его коллеги использовали мощный спектрометр для записи изменений яркости при высоком давлении. Эти измерения дали показатель преломления SiO2 Стекло предоставило фоновую информацию для определения его плотности.

READ  Физики Массачусетского технологического института сделали первые снимки фермионных пар

Важность измерения плотности стекла для наук о Земле

«Земля была гигантским шаром расплавленной породы 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как Земля охлаждается и образует твердую мантию и кору, нам нужно знать физические свойства расплавленной породы при высоком давлении. Однако изучение плавления при высоком давлении является очень трудно и бороться. Некоторые из этих проблем геологи предпочитают изучать стекло, а не плавление. Стекла производятся путем быстрого охлаждения горячего, но вязкого расплава. В результате структура стекла часто представляет собой структуру расплава, из которого оно изготовлено. Предыдущие измерения плотности стекла при высоком давлении требовали больших и дорогих синхротронных установок, производящих остро сфокусированный пучок рентгеновских лучей, который можно использовать для проецирования небольшого образца в ячейку с алмазной наковальней. имел очень небольшую плотность стекла, измеренную до давления в один миллион атмосфер. Теперь мы показали, что эволюция размера образца и плотности любого прозрачного стекла может быть точно измерена до давления не менее 110 гигапаскалей с использованием оптических методов», — говорится в сообщении. Лобанов. «Это можно сделать вне синхротронных установок, и поэтому это намного проще и дешевле. Таким образом, наша работа прокладывает путь для будущих исследований очков, которые приближаются к современному и долгосрочному таянию Земли. Эти будущие исследования дадут новые количественные ответы о ранней эволюции Земли, а также движущие силы вулканических извержений».

Новые возможности исследования исходно аморфных и непрозрачных твердых тел

Из-за того, что образцы очень маленькие и поэтому очень тонкие, материал, который выглядит как глыба горной породы, разбитой на большие куски, становится прозрачным. По словам исследователей, эти разработки открывают новые возможности для изучения механических и электронных свойств некристаллических твердых тел, которые кажутся непрозрачными при больших объемах. По словам авторов исследования, их выводы имеют далеко идущие последствия для материаловедения и геофизики. Кроме того, эта информация может служить эталоном для компьютерных исследований стеклопереноса и свойств плавления в экстремальных условиях.

READ  Гены, связанные с аутизмом у неаутичных людей, оказывают долгосрочное социально-экономическое влияние

Лобанов утверждает, что такое обучение было возможно только в коллективной среде ГФЗ. Он возглавляет группу молодых исследователей Гельмгольца под названием CLEAR на кафедре химии и физики земных материалов. «Наши экспериментальные возможности по исследованию образцов под высоким давлением — это лишь одна вещь, не менее важная, чем обсуждения с коллегами из других отделов, которые помогли мне развить и реализовать идеи», — говорит Лобанов.