Een aan de Universität Bay-reuth ontwikkelde onder-zoekstechniek opent nieuwe perspectieven voor de materiaalwetenschappen. Wetenschappers zijn er in geslaagd om in een labora-torium bij kamertempera-tuur een extreem hoge statische druk van meer dan 6.000.000 atmosfeer (600 GPa) op te wekken. Als ma-terialen aan een dergelijke druk worden blootgesteld, veranderen ze hun normale chemische en fysische eigenschappen en ontwikkelen een nieuwe structuur.
In nauwe samenwerking met wetenschappers van de University of Chicago en Universiteit Antwerpen kon met het in Bayreuth ontworpen proces een record worden gehaald van 6,4 miljoen atmosfeer. Deze druk is zes miljoen keer hoger dan de luchtdruk op de aardoppervlakte en anderhalf keer zo hoog als de druk in de kern van de aarde. De hoogste druk bij materiaal onderzoeken tot nog toe was ongeveer 420 GPa.
Als de onderzoekers, verbonden aan het Bayerische Geoinstitut, de eigenschappen, structuren en het gedrag van materialen onder dergelijke extreme omstandigheden kunnen onderzoeken, heeft dat ingrijpende gevolgen voor talrijke takken van de wetenschap.
Dat betreft in het bijzonder de geo-wetenschappen, de kosmologie, de chemie en de fysica van gecondenseerde materie. De wetenschap heeft zo nieuwe kansen om het ontstaan van de aarde te onderzoeken of uit te vinden hoe ijzer zich onder extreme druk gedraagt. IJzer is het meest voorkomende materiaal in de kern van de aarde.
Superharde diamanten
De nieuwe onderzoekstechniek is een verdere ontwikkeling van diamant-stempelcellen (diamond anvil cells), die al geruime tijd worden gebruikt bij materiaalonderzoek. Hierbij wordt het monster van het te onderzoeken materiaal tussen vlakken van twee diamanten geplaatst. Deze diamanten persen het monster vanuit twee richtingen samen. Als de drukken (die van beide kanten op het monster werken) hoog genoeg zijn, kan de inwendige structuur van het materiaal ingrijpend veranderen.
In deze conventionele cellen kan met een relatief hoge technische in-spanning een druk worden gegenereerd van circa 250 GPa. Een kleine maar belangrijke modificatie door de wetenschappers kon deze waarde met ongeveer 150% omhoog brengen. Ze gebruiken daarvoor één-kristal diamanten van ongeveer 0,25 karaat.
Deze diamanten komen echter zelf niet meer direct in contact met het materiaalmonster. Op elk van de tegenover elkaar liggende diamantvlakken wordt een half kogelvormige nano-kristallijne diamant bevestigd, die een doorsnede heeft van 20-50 µm. De minuscule ronde toppen van deze dia-manten liggen precies tegenover elkaar. Hiertussen wordt het materiaal-monster geplaatst.
Tweetraps opbouw
De clou van dit ontwerp is, dat de diamant stempelcel een tweetraps opbouw krijgt. De druk, die door de tegenoverliggende één-kristal diamant wordt uitgeoefend, concentreert zich op een minuscuul bolletje van de beide half kogelvormige diamanten.
Schematische weergave van de twee-traps gebouwd diamant stempelcel (linksonder): Tussen de twee gezichten van de éénkristals diamant bevinden zich twee veel kleinere vaste nanokristallijne diamanten. Daartussen is het materiaalmonster gecomprimeerd. De figuur toont het bij een druk van 6,4 miljoen atmosfeer (= 640 GPa) verkregen röntgendiffractiepatroon van een mengsel van goud en rhenium. (afbeeldingen: prof. dr. Natalia Dubrovinskaia, Universität Bayreuth)
Maar waardoor kunnen deze diamanten de enorme drukstijging doorstaan? De oorzaak hiervan ligt in de inwendige opbouw. Deze diamanten worden als nano-kristallijn aangeduid omdat ze zijn samengesteld uit minuscule nanodeeltjes.
Fysiek gesproken hebben ze een korrel grootte van minder dan 50 nm. Daardoor beschikken ze (in vergelijking met de éénkristal diamanten waarop ze zijn bevestigd) over een veel hogere drukvastheid. Want hoe kleiner de korrel grootte van een diamant is, des te robuuster is het gedrag onder extreme druk en temperatuur.
Naar nieuwe records
Nano-kristallijne diamanten zouden mogelijkerwijs het materiaal kunnen zijn van de toekomst voor materiaal wetenschappelijk hogedruk onderzoek. De diamanten kunnen op een relatief goedkope manier met behulp van een nieuwe hoge druk synthese techniek worden gemaakt uit glasachtig koolstof.
De nieuwe onderzoekstechniek werd in samenwerking met de University of Chicago uitgeprobeerd bij het Advanced Photon Source van het Argonne National Laboratory (ANL). Hier hebben de wetenschappers uit Bayreuth samen met de Amerikaanse collega’s experimenten uitgevoerd op basis van de synchrotronstraling, een uiterst intense lichtstraling, die door een beamer wordt gericht en gefilterd.
Met een high performance röntgendiffractietechniek hebben ze minuscule materiaalmonsters onderzocht, met een dikte van minder dan 0,001 mm. Het ANL is een van de grootste onderzoeksinstituten van het US De-partment of Energy.
De drukken die bij het materiaalonderzoek worden gebruikt, kunnen met behulp van het nieuwe proces nog behoorlijk omhoog. Drukken van 1 TPa (Terapascal) ofwel 10 miljoen atmosfeer zijn volgens de onderzoekers geen onrealistisch doel.
