Como no centro do planeta Urano: como os materiais se comportam sob extrema pressão

Nov 17, 2023

Por Universidade de Bayreuth 29 de dezembro de 2022

Estruturas e propriedades de materiais a pressões e temperaturas extremamente elevadas ainda são em grande parte “terra incógnita”. O professor Leonid Dubrovinsky e seus parceiros de pesquisa usam uma bigorna de diamante de dois estágios aquecida a laser que construíram para a síntese de materiais na faixa terapascal (1000 gigapascais). A difração de raios X de cristal único in situ é usada para a caracterização estrutural simultânea dos materiais. Crédito: Timofey Fedotenko

Novo método permite pesquisa e estudo de síntese de materiais na faixa terapascal pela primeira vez.

Jules Verne could not have dreamed of this: A research team from the University of Bayreuth, together with international partners including scientists from the University of Cologne’s Department of Chemistry, has pushed the boundaries of high-pressure and high-temperature research into cosmic dimensions. They succeeded in generating and simultaneously analyzing materials under compression pressures of more than one terapascal (1,000 gigapascals) for the first time. Such extremely high pressures prevail, for example, at the center of the planet UranusUranus is the seventh farthest planet from the sun. It has the third-largest diameter and fourth-highest mass of planets in our solar system. It is classified as an "ice giant" like Neptune. Uranus' name comes from a Latinized version of the Greek god of the sky." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Urano; eles são mais de três vezes maiores que a pressão no centro da Terra. Na revista Nature, os pesquisadores apresentam o método que desenvolveram para a síntese e análise estrutural de novos materiais.

Os modelos teóricos prevêem estruturas e propriedades muito incomuns de materiais sob condições extremas de pressão e temperatura. Mas até agora, estas previsões não puderam ser verificadas em experiências com pressões de compressão superiores a 200 gigapascais. Por um lado, são necessários requisitos técnicos complexos para expor amostras de materiais a pressões tão extremas e, por outro lado, faltam métodos sofisticados para análises estruturais simultâneas. As experiências publicadas na Nature, portanto, abrem dimensões completamente novas para a cristalografia de alta pressão: agora podem ser criados e estudados em laboratório materiais que existem - se existirem - apenas sob pressões extremamente elevadas na vastidão do Universo.

“O método que desenvolvemos permite-nos, pela primeira vez, sintetizar novas estruturas de materiais na faixa terapascal e analisá-las in situ – isto é: enquanto o experimento ainda está em andamento. Dessa forma, aprendemos sobre estados, propriedades e estruturas de cristais até então desconhecidos e podemos aprofundar significativamente nossa compreensão da matéria em geral. Informações valiosas podem ser obtidas para a exploração de planetas terrestres e a síntese de materiais funcionais usados ​​em tecnologias inovadoras”, disse o professor Dr. Leonid Dubrovinsky do Instituto de Pesquisa de Geoquímica e Geofísica Experimental da Baviera (BGI) da Universidade de Bayreuth, autor principal. da publicação.

In their study, the researchers show how they have generated and visualized in situ novel rhenium compounds using the now-developed method. The compounds in question are a novel rhenium nitride (Re7N3) and a rhenium-nitrogen alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Liga. Esses materiais foram sintetizados sob pressões extremas em uma bigorna de diamante de dois estágios aquecida por raios laser. A difração de raios X de cristal único síncrotron permitiu a caracterização química e estrutural completa.

“O sistema rênio-nitrogênio está cheio de surpresas químicas. Isso atraiu nossa atenção há vários anos, quando produzimos um composto poroso incomum ReN10 a uma pressão de um milhão de atmosferas, bem como um condutor metálico superduro ReN2 que poderia suportar até mesmo compressão extremamente alta. A síntese em um terapascal finalmente nos permitiu obter uma imagem completa das transformações químicas, que podem ocorrer no sistema Re-N em condições extremas”, disse o Dr. Maxim Bykov, do Instituto de Química Inorgânica da Universidade de Colônia.