Come al centro del pianeta Urano: come si comportano i materiali sotto pressione estrema

Nov 17, 2023

Di University of Bayreuth29 dicembre 2022

Le strutture e le proprietà dei materiali sottoposti a pressioni e temperature estremamente elevate sono ancora in gran parte “terra incognita”. Il Prof. Leonid Dubrovinsky e i suoi partner di ricerca utilizzano una cella a incudine di diamante a due stadi riscaldata al laser da loro costruita per la sintesi di materiali nell'intervallo dei terapascal (1000 gigapascal). La diffrazione di raggi X in situ da cristallo singolo viene utilizzata per la caratterizzazione strutturale simultanea dei materiali. Credito: Timofey Fedotenko

Un nuovo metodo consente per la prima volta la ricerca e lo studio sulla sintesi dei materiali nell'intervallo dei terapascal.

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; sono più di tre volte superiori alla pressione al centro della Terra. Nella rivista Nature, i ricercatori presentano il metodo che hanno sviluppato per la sintesi e l'analisi strutturale di nuovi materiali.

I modelli teorici prevedono strutture e proprietà molto insolite dei materiali in condizioni di pressione e temperatura estreme. Ma finora queste previsioni non hanno potuto essere verificate in esperimenti con pressioni di compressione superiori a 200 gigapascal. Per esporre i campioni di materiale a pressioni così estreme sono necessari da un lato requisiti tecnici complessi e dall’altro mancano metodi sofisticati per analisi strutturali simultanee. Gli esperimenti pubblicati su Nature aprono quindi dimensioni completamente nuove per la cristallografia ad alta pressione: ora è possibile creare e studiare in laboratorio materiali che esistono – se non esistono – solo a pressioni estremamente elevate nella vastità dell’Universo.

“Il metodo che abbiamo sviluppato ci consente per la prima volta di sintetizzare nuove strutture materiali nell’ordine dei terapascal e di analizzarle in situ, cioè mentre l’esperimento è ancora in corso. In questo modo impariamo a conoscere stati, proprietà e strutture dei cristalli precedentemente sconosciuti e possiamo approfondire in modo significativo la nostra comprensione della materia in generale. Si possono ottenere preziose informazioni per l’esplorazione dei pianeti terrestri e la sintesi di materiali funzionali utilizzati in tecnologie innovative”, ha affermato il professor Dr. Leonid Dubrovinsky dell’Istituto bavarese di ricerca di geochimica e geofisica sperimentale (BGI) dell’Università di Bayreuth, autore principale della pubblicazione.

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"}]"> lega. Questi materiali sono stati sintetizzati sotto pressioni estreme in una cella a incudine di diamante a due stadi riscaldata da raggi laser. La diffrazione di raggi X da cristallo singolo di sincrotrone ha consentito una caratterizzazione chimica e strutturale completa.

“Il sistema renio-azoto è pieno di sorprese chimiche. Ha attirato la nostra attenzione diversi anni fa, quando abbiamo prodotto un insolito composto poroso ReN10 ad una pressione di un milione di atmosfere, nonché un conduttore metallico superduro ReN2 in grado di resistere anche a una compressione estremamente elevata. La sintesi a un terapascal ci ha finalmente permesso di ottenere il quadro completo delle trasformazioni chimiche che possono verificarsi nel sistema Re-N in condizioni estreme”, ha affermato il dott. Maxim Bykov dell’Istituto di chimica inorganica dell’Università di Colonia.