Une équipe internationale travaillant à la source avancée de photons du laboratoire national d'Argonne a mis au point une méthode permettant d'atteindre des pressions statiques considérablement plus élevées que celles précédemment atteintes. Ci-dessus :une image d'une cellule à enclume de diamant à l'intérieur de la chambre de pression. Traditionnellement, une cellule à enclume de diamant fonctionne comme un étau qui serre l'échantillon entre deux diamants monocristallins pour produire une pression extrême. Dans le nouvel appareil, une minuscule boule de diamants nanocristallins se trouve au sommet de chaque diamant monocristallin. Comme les diamants sont serrés ensemble, la charge est transférée du plus gros diamant à la nano-bille. Cela provoque la compression des billes de nano-diamant et leur durcissement, leur permettant à la fois de générer et de résister à des pressions extrêmes. Crédit:Image via Dubrovinskaia et al./Sciences .
Des choses extraordinaires arrivent aux matériaux ordinaires lorsqu'ils sont soumis à des pressions et des températures très élevées. Sodium, un métal conducteur dans des conditions normales, devient un isolant transparent; l'hydrogène gazeux devient solide.
Mais générer les pressions térapascales - c'est dix millions de fois la pression atmosphérique à la surface de la terre - nécessaires pour explorer les conditions les plus extrêmes en laboratoire n'a été possible qu'avec l'utilisation d'ondes de choc, qui génèrent la pression pendant un temps très court puis détruisent les échantillons. Désormais une équipe internationale travaillant à la source de photons avancée (APS) du département américain de l'Énergie (DOE), une installation utilisateur du DOE Office of Science au laboratoire national d'Argonne, a mis au point une méthode pour atteindre des pressions statiques considérablement plus élevées que celles précédemment atteintes.
« Atteindre des ultra-hautes pressions ouvre de nouveaux horizons pour une compréhension plus profonde de la matière, " a déclaré Léonid Dubrovinsky, scientifique à l'université de Bayreuth, Allemagne, qui était l'un des développeurs de la nouvelle méthode. "C'est d'une grande importance pour les sciences fondamentales, pour la modélisation de l'intérieur des planètes géantes et pour le développement de nouveaux matériaux aux propriétés inhabituelles pour des applications technologiques."
En utilisant un nouveau dispositif innovant qui utilise des diamants nanocristallins transparents développés pour cette application, Natalia Dubrovinskaia, qui a dirigé l'étude, Dubrovinsky et ses collaborateurs ont atteint des pressions presque 50 pour cent supérieures à la pression statique la plus élevée atteinte auparavant avec des cellules à enclume diamant à un étage standard.
Une cellule à enclume en diamant à deux étages montée sur la ligne de lumière de la source avancée de photons. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de Vitali Prakapenka.
"C'est un grand pas, " a déclaré Vitali Prakapenka, un scientifique du Center for Advanced Radiation Sources de l'Université de Chicago qui a travaillé sur les expériences.
Dubrovinsky et ses collègues ont conçu une version d'une cellule à enclume en diamant à double étage généralement utilisée pour générer des pressions élevées. L'appareil traditionnel fonctionne comme un étau qui serre l'échantillon entre deux diamants monocristallins. Dans le nouvel appareil, une minuscule boule de diamants nanocristallins se trouve au sommet de chaque diamant monocristallin. Comme les diamants sont serrés ensemble, la charge est transférée du plus gros diamant à la nano-bille. Les billes de nano-diamant se compressent et deviennent en fait plus dures, leur permettant à la fois de générer et de résister à des pressions extrêmes.
Les chercheurs ont encore étendu les capacités de l'appareil en introduisant un joint d'étanchéité qui agit comme une chambre de pression secondaire à l'intérieur de la cellule, leur permettant de travailler avec des gaz et des liquides ainsi que des solides.
La transparence des nouvelles billes de nano-diamant ouvre la possibilité d'atteindre simultanément une pression élevée et une température élevée. "Nous pouvons faire briller le laser haute puissance à travers l'enclume en diamant et à travers le nano-diamant également, et chauffer l'échantillon lorsqu'il est déjà sous pression, " a déclaré Prakapenka. " Et nous pouvons ensuite sonder les propriétés de l'échantillon in situ avec des techniques de rayons X synchrotron. "
Scientifique de l'Université de Bayreuth et co-auteur de l'étude, Leonid Dubrovinsky à la ligne de lumière. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de Vitali Prakapenka.
Cette capacité à sonder la matière à des pressions statiques ultra-élevées a des implications importantes pour la compréhension de la physique et de la chimie des matériaux. L'application immédiate la plus directe est l'étude des matériaux soumis à une pression énorme à l'intérieur des planètes géantes. Mais Prakapenka suggère d'autres possibilités.
"Nous pouvons synthétiser des matériaux absolument nouveaux avec des propriétés uniques que nous n'aurions jamais prévues, " dit-il. " Et nous pensons qu'il existe encore des matériaux que nous ne pouvons synthétiser qu'à haute pression, comme les supraconducteurs, et puis s'éteindre, apporter aux conditions ambiantes et à l'utilisation. Dans ce cas, il s'agit d'une très petite quantité - ce ne sont que des microns - mais pour l'application future de la technologie nanorobotique, qui sait."
Le groupe a travaillé sur la ligne de lumière GeoSoilEnviro Consortium for Advanced Radiation Sources (GSECARS), qui est exploité par l'Université de Chicago dans le secteur 13 de l'APS. La haute intensité et l'énergie des faisceaux de rayons X de l'APS ont été cruciales pour les expériences. "Le faisceau doit être suffisamment intense pour traverser l'enclume en diamant et l'échantillon d'un ou deux microns et vous donner suffisamment de statistiques pour voir la diffraction de l'échantillon, " a déclaré Prakapenka. " Vous avez besoin d'une très haute intensité, rayons X à haute énergie pour le faire. Ce n'est possible qu'avec des synchrotrons de troisième génération comme l'APS."
Le monochromateur de GSECARS, systèmes d'optique et d'imagerie, qui amènent le faisceau à la position de l'échantillon, concentrez-le sur un point inférieur à trois microns et laissez les scientifiques voir et analyser l'échantillon in situ.
Le papier, "Génération de pression statique térapascal avec nanodiamant à très haute limite d'élasticité, " a été publié le 20 juillet dans Avancées scientifiques .
