Síntese de materiais em pressões estáticas terapascal

Jun 05, 2023

Nature volume 605, páginas 274–278 (2022)Cite este artigo

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A modelagem teórica prevê estruturas e propriedades muito incomuns de materiais em condições extremas de pressão e temperatura . Até agora, sua síntese e investigação acima de 200 gigapascals foram dificultadas tanto pela complexidade técnica dos experimentos de ultra-alta pressão quanto pela ausência de métodos in situ relevantes de análise de materiais. Aqui relatamos uma metodologia desenvolvida para permitir experimentos de compressão estática no regime terapascal com aquecimento a laser. Aplicamos este método para realizar pressões de cerca de 600 e 900 gigapascals em uma bigorna de diamante de dois estágios aquecida a laser, produzindo uma liga de rênio-nitrogênio e alcançando a síntese de nitreto de rênio Re7N3 - que, como mostra nossa análise teórica, é apenas estável sob compressão extrema. A caracterização química e estrutural completa dos materiais, realizada usando difração de raios X de cristal único síncrotron em microcristais in situ, demonstra as capacidades da metodologia para estender a cristalografia de alta pressão ao regime terapascal.

O estado da matéria é fortemente afetado por variações na composição química e em parâmetros externos como pressão e temperatura, permitindo o ajuste das propriedades do material. Isto dá origem a vários fenómenos relevantes para uma vasta gama de disciplinas científicas e aplicações tecnológicas, desde a compreensão fundamental do Universo até à concepção direccionada de materiais avançados. Sabe-se que a compressão facilita as transições de metal para isolante4, a supercondutividade5 e novos 'super' estados da matéria6. Desenvolvimentos recentes na técnica de bigorna de diamante e, particularmente, a invenção de células de bigorna de diamante toroidais e de duplo estágio (dsDACs e tDACs)3,7,8, permitiram avanços na síntese de materiais e no estudo de estrutura-propriedade relacionamentos sob altas e ultra-altas pressões. Exemplos muito recentes são a descoberta de um novo alótropo de nitrogênio9, bp-N, que resolveu um quebra-cabeça em nossa compreensão do comportamento de alta pressão dos elementos da família pnictogênio, e a síntese de uma infinidade de novos nitretos e polinitretos de metais de transição10,11, 12,13,14,15, incluindo estruturas metal-inorgânicas 11,15, que são uma nova classe de compostos apresentando estruturas porosas abertas à compressão megabar. Resolver e refinar as estruturas cristalinas de sólidos sintetizados diretamente a partir de elementos em DACs convencionais aquecidos a laser 10,11,12,13,14,15 a pressões tão altas quanto cerca de dois megabares 12,16 tornou-se possível devido à sinergia de nossa experiência tanto na geração de pressões de vários megabares3,17,18 (para detalhes, consulte a seção Informações Suplementares 'Breve visão geral da técnica DAC de duplo estágio (dsDAC)') e na difração de raios X de cristal único (XRD) em pressões ultra-altas, que foram foi pioneira há alguns anos19,20. Como a síntese de alta pressão e alta temperatura tornou-se uma técnica bem estabelecida para descoberta de materiais, há muito que se deseja estender as investigações ao regime TPa.

Aqui relatamos uma metodologia para experimentos de síntese de alta pressão e alta temperatura que estende os limites da cristalografia de alta pressão até a faixa terapascal. Para atingir as pressões desejadas, combinamos designs de bigorna toroidal7,8 e de duplo estágio3,17,18. Uma liga de rênio-nitrogênio e nitreto de rênio Re7N3 foram sintetizados em três experimentos diferentes no sistema Re-N (Tabela Suplementar 1) em um dsDAC aquecido a laser. Sua caracterização estrutural e química completa foi realizada in situ usando DRX de cristal único.

Os dsDACs foram preparados seguindo o procedimento descrito abaixo. Bigornas de diamante convencionais de bisel único do tipo Boehler-Almax com culets de 40 μm foram fresadas por feixe de íons focados (FIB) para produzir um perfil toroidal na superfície do culet e moldar um culet em miniatura de cerca de 10 μm de diâmetro em seu centro (Dados Estendidos Fig. 1). Como gaxeta, usamos uma tira de folha Re de 200 μm de espessura, que foi pré-recortada em algumas etapas. O recuo final de 10 μm de diâmetro (feito com bigornas com perfil toroidal) tinha uma espessura de cerca de 4 μm (o procedimento de recuo é descrito em detalhes na legenda dos Dados Estendidos Fig. 1). Um furo de aproximadamente 6 μm de diâmetro foi feito no centro do recuo usando FIB ou por laser infravermelho próximo pulsado e bem focado para formar uma câmara de pressão. Um esquema do conjunto dsDAC, montado em um BX-90 DAC21 equipado com bigornas de diamante toroidais, é mostrado na Fig. 1 de dados estendidos. Para realizar um projeto dsDAC, dois hemisférios de diamante nanocristalino transparente17, fresados ​​​​FIB a partir de uma única bola com um diâmetro de 12 a 14 μm, foram colocados sobre a ponta do culet de 10 μm (Extended Data Figs. 1, 2). Os hemisférios eram pequenos o suficiente para serem colados nas bigornas toroidais, mas em um caso (dsDAC #2, Tabela Suplementar 1) foi usada cera de parafina para fixá-los. Alguns grãos de pó de rênio (99,995% de pureza, Merck) foram colocados na câmara de pressão, que foi então preenchida com nitrogênio (N2) a cerca de 1,4 kbar usando a configuração de carregamento de gás de alta pressão22 no Bayerisches Geoinstitut (BGI , Bayreuth, Alemanha), fechado e pressurizado.