Pregunta: ¿Qué obtienes cuando tomas dos superficies aproximadamente del tamaño de una semilla de apio y las aplastas con una carga de 15 toneladas?
Respuesta: obtienes presiones que se acercan a esos dentro de los planetas, lo que te permite distorsionar casi cualquier material más allá del reconocimiento.
Investigadores de la fuente de neutrones de espalación SNS del Laboratorio Nacional de Oak Ridge ORNL han desarrollado tecnología para exprimir materiales con un millón de veces la presión de la atmósfera de la Tierra mientras los estudian con neutrones. Cuando bombardean estos materiales con neutrones, los materiales proporcionan unimagen sin precedentes de la naturaleza cambiante de la materia bajo presión extrema.
La tecnología se conoce como una célula de yunque de diamante. Utiliza diamantes cuyas puntas se han pulido para crear superficies planas, luego presiona una muestra entre esas superficies con una fuerza inmensa para crear un ambiente experimental extremo. Las células de yunque de diamante se han utilizado enotros tipos de experimentos, para la dispersión de rayos X en sincrotrones y para técnicas de espectroscopía óptica, por ejemplo, pero llevarlos al ámbito de la ciencia de neutrones crea una oportunidad única y un desafío inmenso.
La oportunidad es que la dispersión de neutrones puede examinar elementos ligeros como el hidrógeno y el silicio de una manera que ningún otro método puede hacerlo. En el instrumento SNS SNAP SNAP significa Neutralizadores de espalación y Difractómetro de presión, los científicos han estado explorando una variedad de científicosPor ejemplo, la investigación sobre el comportamiento complejo del hielo bajo presión extrema puede darnos una idea de lo que está sucediendo dentro de los gigantes gaseosos de nuestro sistema solar, mientras que las exploraciones sobre el efecto del hidrógeno en los materiales depositados en una película delgada pueden eliminar los impedimentos parafabricación electrónica más avanzada.
muestras más grandes
"Lo emocionante de la presión es que puedes poner mucha más energía de la que puedes con la temperatura", dijo Bianca Haberl, miembro de Weinberg en SNS, que es una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE ". Eso significa que puedes cambiarla unión atómica mucho más. No hay otra forma de cambiar materiales tan drásticamente como puedas con presión ".
El desafío de este enfoque, sin embargo, es que la dispersión de neutrones requiere muestras mucho más grandes que las técnicas como la dispersión de rayos X. Si bien esa semilla de apio puede verse pequeña en la punta del dedo, es enorme en el mundo de la dispersión avanzadatécnicas.
"Si haces experimentos ópticos de mesa o rayos X, es del orden de unas décimas de milímetro", dijo Reinhard Boehler, quien divide su tiempo entre ORNL y la Carnegie Institution of Washington en Washington, DC "Con neutrones, necesitamos tamaños de muestra que sean unos cientos de veces más grandes, porque los flujos de neutrones suelen ser muy bajos "
Este es un desafío tan enorme porque las áreas de superficie más grandes requieren mucha más fuerza para alcanzar la misma presión. De hecho, la dispersión de neutrones con células de yunque de diamante sería imposible sin dos avances tecnológicos importantes: el propio SNS, que suministra el neutrón pulsado más intensovigas en el mundo, y recientes avances en la creación de grandes diamantes sintéticos.
El proyecto necesitaba diamantes mucho más grandes, cerca de 10 quilates, porque los diamantes más pequeños y sus soportes se rompen bajo ese tipo de fuerza. Además, los investigadores necesitaban diamantes de un solo cristal, porque los compuestos que se fusionan a partir de diamantes más pequeñosinterferir con los neutrones.
Como se puede imaginar, los diamantes tan grandes son caros; sería difícil encontrar un diamante natural de 10 quilates por menos de $ 200,000. A esto se suma el hecho de que los diamantes definitivamente no son para siempre cuando se presionan con 15 toneladas, y queda claro que el costo de los diamantes naturales los hace prohibitivos.
Boehler dijo que el avance del diamante fue una técnica llamada deposición química de vapor, que fue optimizada para el crecimiento de diamantes por su laboratorio en Carnegie y autorizada a empresas privadas para su fabricación. Los investigadores pueden obtener diamantes de 10 quilates creados con esta técnica por alrededor de $ 7,000.
exprimir hielo
La investigación con la nueva tecnología hasta ahora ha incluido el estudio del agua, la especialidad de Boehler, y el efecto del hidrógeno en películas delgadas, Haberl. Ambos explotan la fuerza única de la ciencia de neutrones al enfocarse en el hidrógeno, el elemento más ligero de la naturaleza, con un solo protón.
Boehler, cuyo historial es en geofísica, ha estado exprimiendo hielo e hidrógeno, en parte para replicar los interiores de planetas como Neptuno y Urano. Hasta ahora se ha centrado en moléculas de hidrógeno y agua, dos átomos de hidrógeno y un oxígeno.- pero también tiene en mente el metano cuatro hidrógenos y un carbono y el amoníaco tres hidrógenos y un nitrógeno.
Sus experimentos en SNS hasta ahora se han centrado en el hielo que contiene deuterio, un isótopo de hidrógeno cuyos núcleos contienen un neutrón y un protón. Explicó que, tan común como el agua, está lejos de ser húmedo cuando está expuesto a alta presión, dondeincluso su punto de congelación se vuelve controvertido.
"Incluso el derretimiento del agua a alta presión es muy controvertido", dijo. "Si le das ese problema a cinco grupos, te darán cinco respuestas diferentes, y las diferencias no son pequeñas".
Usando hielo con deuterio, Boehler y sus colegas, Chris Tulk, Antonio Moreira dos Santos y Jamie Molaison de SNS, y Malcolm Guthrie, anteriormente de la Carnegie Institution, han podido poner muestras bajo un millón de atmósferas de presión. Mientras todavía estánEn el proceso de análisis de resultados, los teóricos han sugerido que el agua bajo altas presiones se comporta como un cristal como la sal de roca o como un metal.
"Teóricamente, es muy difícil de manejar, debido a fuerzas interatómicas muy diferentes para oxígeno, hidrógeno o deuterio", dijo.
Ese molesto hidrógeno
Haberl, cuya experiencia es en ciencia de materiales, ha estado utilizando yunques de diamantes en SNS para estudiar los efectos de la contaminación por hidrógeno en películas delgadas depositadas, como el silicio utilizado en la electrónica.
Por delgado, nos referimos a películas mil veces más delgadas que un cabello humano.
"La mayoría de los semiconductores hoy en día están depositados", dijo, "porque son delgados. Estoy hablando de 10 nanómetros a 100 nanómetros, y cuanto más delgado se pueda fabricar y que siga funcionando, menos material necesitará".
El problema con estas películas depositadas es que invariablemente terminan conteniendo hidrógeno. El silicio estándar libre de hidrógeno que ha sido expuesto a alta presión muestra comportamientos interesantes y nuevas estructuras, incluso después de que se elimina la presión. Estos comportamientos pueden dar lugar a valiososnuevas tecnologías. El silicio depositado más barato, con hidrógeno, no muestra el mismo comportamiento, y las mismas nuevas estructuras útiles no pueden sintetizarse.
"Cada vez que deposita algo, tiene que hacer un vacío, que nunca es perfecto", explicó. "Además, a menudo comienza con materiales que contienen hidrógeno, por lo que al final su película depositada puede contener hasta10 por ciento de hidrógeno "
Haberl dijo que al poner las películas depositadas a alta presión, ella y sus colegas esperan que estas películas delgadas sean más útiles. Para comprender por qué estas películas depositadas con hidrógeno no dan como resultado estas nuevas estructuras útiles, necesitan dispersión de neutrones, simplementeporque el hidrógeno es invisible a los rayos X
Haberl señaló que también están interesados en materiales distintos al silicio, por ejemplo películas de carbono extremadamente duras, películas de germanio que podrían reemplazar al silicio en semiconductores u otros llamados semiconductores compuestos
Mirando hacia el futuro, la investigación de alta presión en SNS se expandirá tanto a nuevas áreas científicas como a otros instrumentos en la instalación, predominantemente el instrumento VISION. Las propuestas de investigación que llegan a la instalación incluyen estudios de carbono puro, sulfuro de hidrógeno un superconductor muy prometedor e incluso elementos pesados como los actínidos un grupo que incluye uranio y plutonio.
Boehler dijo que la nueva tecnología, junto con la capacidad del SNS para explotar los neutrones de varias maneras, abrirá nuevas y emocionantes áreas de conocimiento.
"Ahora, con la nueva tecnología de yunque, tenemos una gran ventana de nuevas oportunidades"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Cite esta página :