Investigadores dirigidos por Sergey Lobanov del Centro Alemán de Investigación de Geociencias GFZ han desarrollado un nuevo método para medir la densidad del dióxido de silicio (SiO2).2) El vidrio, uno de los materiales más importantes en la industria y la geología, a presiones de hasta 110 gigapascales, 1,1 millones de veces superior a la presión atmosférica normal. En lugar de usar rayos X altamente enfocados en una instalación de sincrotrón, usaron un rayo láser blanco y una celda de yunque de diamante. Los investigadores informan sobre su método nuevo y simple en la edición actual de la Cartas de verificación física.

El problema de la medición de la densidad en condiciones extremas

En las ciencias de la tierra, la densidad de minerales, rocas y masas fundidas a presiones de varios millones de atmósferas y temperaturas de varios miles de grados es de crucial importancia, ya que determina la evolución planetaria y los procesos volcánicos a largo plazo. Pero, ¿cómo se puede medir la densidad de un material en condiciones tan extremas? Para responder a esta pregunta sobre un mineral o una roca cristalina, los científicos utilizan la difracción de rayos X, que mide la distancia entre los átomos dispuestos periódicamente. Sin embargo, existe un problema cuando el material tiene una estructura desordenada, es decir, no es cristalino, como los vidrios o las rocas fundidas. En este caso, el volumen de la muestra debe medirse directamente: la densidad de un material es igual a su masa dividida por su volumen. Sin embargo, tales mediciones son extremadamente difíciles debido al diminuto volumen de la muestra altamente presurizada. Anteriormente, estas mediciones requerían grandes instalaciones de rayos X y equipos altamente especializados y, por lo tanto, eran muy costosas. Ahora, un equipo dirigido por el científico Sergey Lobanov del Centro Alemán de Investigación de Geociencias GFZ está presentando un nuevo método en el que pueden usar un láser del tamaño de una caja de zapatos para medir el volumen de muestras que se someten a presiones similares a las que se encuentran en las profundidades. de 2000 km bajo tierra.

Dentro de la tierra, la roca se encuentra bajo una presión inimaginablemente alta, hasta varios millones de veces más alta que la presión atmosférica normal. Sin embargo, contrariamente a la creencia popular, el manto terrestre no es líquido, sino sólido. La roca se comporta viscoplásticamente: se mueve centímetro a centímetro por año, pero estallaría bajo un golpe de martillo. Aún así, los movimientos lentos impulsan las placas y la tectónica de la corteza terrestre, que a su vez desencadenan el vulcanismo. Los cambios químicos, como el agua que sale de las placas de la corteza subducidas, pueden cambiar el punto de fusión de las rocas lo suficiente como para producir repentinamente magma fundido. Cuando este magma encuentra su camino hacia la corteza terrestre y la superficie, se producen erupciones volcánicas.

Densidad de materiales desordenados.

Ningún instrumento en el mundo puede penetrar el manto de la Tierra para estudiar tales procesos en detalle. Por lo tanto, uno debe basarse en cálculos, señales sísmicas y experimentos de laboratorio para aprender más sobre el interior de la Tierra. Las presiones y temperaturas extremadamente altas que prevalecen allí pueden generarse con una celda de yunque de diamante. Las muestras examinadas son más pequeñas que la punta de un alfiler. Su volumen está en el rango de subnanlitros (por ejemplo, al menos 10 millones de veces más pequeño que 1 mililitro). Cuando el material se comprime bajo presiones tan altas, la estructura interna cambia. Para analizar esto en detalle, se utilizan rayos X en cristales para crear patrones de difracción. Esto permite sacar conclusiones sobre el volumen de la red cristalina y, por lo tanto, también sobre la densidad del material. Los materiales no cristalinos, como los vidrios o las rocas fundidas, hasta ahora han guardado sus secretos más íntimos. En el caso de materiales desordenados, la difracción de rayos X no proporciona información directa sobre su volumen y densidad.

Truco simple: medir con un láser en lugar de un haz de rayos X

Usando un truco simple, los investigadores dirigidos por Sergey Lobanov ahora lograron medir el índice de refracción y la densidad del dióxido de silicio (SiO2).2) Vidrio, uno de los materiales más importantes en la industria y la geología, a presiones de hasta 110 gigapascales. Se trata de una presión que prevalece a más de 2.000 kilómetros de profundidad en el interior de la Tierra y es 1,1 millones de veces superior a la presión atmosférica normal. Los investigadores utilizaron un láser multicolor para medir el brillo de su reflejo en la muestra presurizada. El brillo del reflejo del láser contenía información sobre el índice de refracción, una propiedad fundamental del material que describe cómo se ralentiza y se difracta la luz a medida que viaja a través del material, pero también sobre la longitud de la trayectoria del láser en la muestra. Los materiales con un alto índice de refracción y alta densidad, como los diamantes y los metales, suelen aparecer brillantes y brillantes a nuestros ojos. En lugar de observar las diminutas muestras a simple vista, Lobanov y sus colegas utilizaron un potente espectrómetro para registrar los cambios de brillo a alta presión. Estas medidas dieron el índice de refracción de SiO2 vidrio y proporcionó información clave para cuantificar su densidad.

Importancia de la medición de la densidad de vidrios para las geociencias

“La Tierra era una bola gigante de roca fundida hace 4500 millones de años. Para entender cómo la Tierra se enfrió y formó un manto y una corteza sólidos, necesitamos entender las propiedades físicas de la roca fundida bajo presión extrema. Sin embargo, el estudio de los fundidos a alta presión es un gran desafío y, para sortear algunos de estos desafíos, los geólogos eligen estudiar vidrios en lugar de fundidos. Los vidrios se fabrican enfriando rápidamente fundidos calientes pero viscosos. Por lo tanto, la estructura de los vidrios a menudo corresponde a la estructura de las masas fundidas a partir de las cuales se formaron. Las mediciones anteriores de la densidad del vidrio a alta presión requerían instalaciones de sincrotrón grandes y costosas que producen un haz de rayos X bien enfocado que se puede usar para ver la pequeña muestra en una celda de yunque de diamante. Estos fueron experimentos desafiantes, y muy pocos vidrios han medido la densidad hasta una presión de 1 millón de atmósferas. Ahora hemos demostrado que la evolución del volumen de la muestra y la densidad de cualquier vidrio transparente se puede medir cuidadosamente hasta una presión de al menos 110 GPa. medido con técnicas ópticas», dice Lobanov. «Esto se puede hacer fuera de las instalaciones de sincrotrón y, por lo tanto, es mucho más simple y económico. Nuestro trabajo allana el camino para futuros estudios de vidrios que se aproximen a la fusión actual y de hace mucho tiempo de la Tierra. Estos estudios futuros proporcionará nuevas respuestas cuantitativas sobre la evolución temprana de la Tierra y las fuerzas impulsoras detrás de las erupciones volcánicas».

Nuevas posibilidades para investigar sólidos no cristalinos inicialmente opacos

Dado que las muestras son extremadamente pequeñas y, por lo tanto, delgadas como una oblea, incluso los materiales que parecen una roca en piezas grandes se vuelven translúcidos. Según los investigadores, estos desarrollos abren nuevas posibilidades para estudiar las propiedades mecánicas y electrónicas de los sólidos no cristalinos, que aparecen opacos en volúmenes más grandes. Según los autores del estudio, sus hallazgos tienen implicaciones de gran alcance para la ciencia de los materiales y la geofísica. Además, esta información podría servir como punto de referencia para investigaciones computacionales de las propiedades de transporte de vidrios y masas fundidas en condiciones extremas.

Lobanov enfatiza que este tipo de estudio solo fue posible gracias al ambiente colegiado en la GFZ. Dirige un grupo de investigación junior de Helmholtz llamado CLEAR en la sección «Química y física de los geomateriales». «Nuestras opciones experimentales para examinar muestras bajo alta presión son solo una cosa”, dice Lobanov. «Las discusiones con colegas de otros departamentos, que me ayudaron a desarrollar e implementar las ideas, fueron al menos igual de importantes».

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