Sintesi dei materiali a pressioni statiche terapascal

Jun 05, 2023

Natura volume 605, pagine 274–278 (2022)Citare questo articolo

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La modellazione teorica prevede strutture e proprietà molto insolite dei materiali in condizioni di pressione e temperatura estreme1,2. Finora, la loro sintesi e ricerca sopra i 200 gigapascal sono state ostacolate sia dalla complessità tecnica degli esperimenti ad altissima pressione sia dall'assenza di metodi rilevanti in situ per l'analisi dei materiali. Qui riportiamo una metodologia sviluppata per consentire esperimenti di compressione statica nel regime terapascal con riscaldamento laser. Applichiamo questo metodo per realizzare pressioni di circa 600 e 900 gigapascal in una cella a incudine di diamante a doppio stadio riscaldata al laser3, producendo una lega renio-azoto e ottenendo la sintesi del nitruro di renio Re7N3, che, come mostra la nostra analisi teorica, è solo stabile sotto compressione estrema. La completa caratterizzazione chimica e strutturale dei materiali, realizzata utilizzando la diffrazione di raggi X da singolo cristallo di sincrotrone su microcristalli in situ, dimostra le capacità della metodologia di estendere la cristallografia ad alta pressione al regime di terapascal.

Lo stato della materia è fortemente influenzato dalle variazioni nella composizione chimica e dai parametri esterni come pressione e temperatura, consentendo la regolazione delle proprietà dei materiali. Ciò dà origine a vari fenomeni rilevanti per un’ampia gamma di discipline scientifiche e applicazioni tecnologiche, dalla comprensione fondamentale dell’Universo alla progettazione mirata di materiali avanzati. È noto che la compressione facilita le transizioni metallo-isolante4, la superconduttività5 e nuovi stati "super" della materia6. I recenti sviluppi nella tecnica delle celle a incudine di diamante e, in particolare, l'invenzione delle celle a incudine di diamante a doppio stadio e toroidali (dsDAC e tDAC)3,7,8, hanno consentito progressi nella sintesi dei materiali e nello studio delle proprietà-struttura relazioni ad alta e altissima pressione. Esempi molto recenti sono la scoperta di un nuovo allotropo dell'azoto9, bp-N, che ha risolto un enigma nella nostra comprensione del comportamento ad alta pressione degli elementi della famiglia del pnictogeno, e la sintesi di una pletora di nuovi nitruri e polinitruri di metalli di transizione10,11, 12,13,14,15, comprese le strutture metallo-inorganiche11,15, che sono una nuova classe di composti caratterizzati da strutture porose aperte alla compressione megabar. La risoluzione e il perfezionamento delle strutture cristalline dei solidi sintetizzati direttamente dagli elementi nei DAC convenzionali10,11,12,13,14,15 riscaldati al laser a pressioni fino a circa due megabar12,16 sono diventati possibili grazie alla sinergia delle nostre competenze sia nel generare pressioni di diversi megabar3,17,18 (per i dettagli vedere la sezione Informazioni supplementari "Breve panoramica della tecnica DAC a doppio stadio (dsDAC)") e nella diffrazione di raggi X (XRD) a cristallo singolo a pressioni ultraelevate, che erano pioniere qualche anno fa19,20. Poiché la sintesi ad alta pressione e temperatura è diventata una tecnica ben consolidata per la scoperta dei materiali, è stato a lungo desiderato estendere le indagini al regime TPa.

Qui riportiamo una metodologia per esperimenti di sintesi ad alta temperatura ad alta pressione che estende i limiti della cristallografia ad alta pressione all'intervallo del terapascal. Per ottenere le pressioni desiderate, abbiamo combinato i design dell'incudine toroidale7,8 e a doppio stadio3,17,18. Una lega di renio-azoto e nitruro di renio Re7N3 sono stati sintetizzati in tre diversi esperimenti nel sistema Re-N (Tabella supplementare 1) in un dsDAC riscaldato al laser. La loro completa caratterizzazione strutturale e chimica è stata eseguita in situ utilizzando XRD a cristallo singolo.

I dsDAC sono stati preparati seguendo la procedura descritta di seguito. Le incudini diamantate convenzionali di tipo Boehler-Almax a smusso singolo con culet da 40 μm sono state fresate mediante fascio ionico focalizzato (FIB) per produrre un profilo toroidale sulla superficie del culet e formare un culet in miniatura di circa 10 μm di diametro al centro (Dati estesi Fig. 1). Come guarnizione abbiamo utilizzato una striscia di pellicola Re spessa 200 μm, che è stata pre-indentata in pochi passaggi. L'indentazione finale di 10 μm di diametro (realizzata utilizzando incudini con profilo toroidale) aveva uno spessore di circa 4 μm (la procedura di indentazione è descritta in dettaglio nella legenda ai Dati estesi Fig. 1). Un foro di circa 6 μm di diametro è stato praticato al centro della rientranza utilizzando FIB o laser pulsato nel vicino infrarosso strettamente focalizzato per formare una camera di pressione. Uno schema del gruppo dsDAC, montato su un BX-90 DAC21 dotato di incudini toroidali di diamante, è mostrato in Extended Data Fig. 1. Per realizzare un design dsDAC, due emisferi di diamante nanocristallino trasparente17, fresati FIB da un'unica sfera con un diametro compreso tra 12 e 14 μm, sono stati posizionati sopra la punta del culetto da 10 μm (Dati estesi, Figg. 1, 2). Gli emisferi erano abbastanza piccoli da attaccarsi alle incudini toroidali, ma in un caso (dsDAC n. 2, tabella supplementare 1) è stata utilizzata cera di paraffina per fissarli. Alcuni granelli di polvere di renio (purezza 99,995%, Merck) sono stati posti nella camera a pressione, che è stata poi riempita con azoto (N2) a circa 1,4 kbar utilizzando l'impianto di caricamento del gas ad alta pressione22 presso il Bayerisches Geoinstitut (BGI , Bayreuth, Germania), chiuso e pressurizzato.