Pour la première fois, des chercheurs de l'Université de Bayreuth et du Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ont réussi à appliquer la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) dans des expériences analysant des échantillons de matériaux sous une pression très élevée, similaire à la pression dans le manteau inférieur de la Terre. Le processus présenté dans Avancées scientifiques devrait améliorer notre compréhension des particules élémentaires, qui se comportent souvent différemment sous haute pression que dans des conditions normales. Il est prévu d'encourager les innovations technologiques et également de permettre de nouvelles perspectives sur l'intérieur de la terre et l'histoire de la terre, en particulier, les conditions des origines de la vie.

Les diamants mettent la matière sous haute pression

La recherche à haute pression dans les géosciences et la science des matériaux est connue pour conduire à la découverte de phénomènes fascinants et complètement inattendus. Sous une pression extrêmement élevée, les matériaux normalement non conducteurs deviennent des supraconducteurs; des corps solides apparemment simples assument soudainement des structures cristallines très complexes; les plus petites particules élémentaires telles que les électrons et les protons présentent des propriétés imprévisibles. L'Institut bavarois de recherche en géochimie et géophysique expérimentales (BGI) de l'Université de Bayreuth est l'un des principaux centres mondiaux de recherche à haute pression. En 2016, une équipe de chercheurs du BGI a atteint pour la première fois une pression de plus d'un téapascal dans ses expériences en science des matériaux, soit trois fois plus que la pression au centre de la terre. Ces niveaux de pression sont générés dans des espaces extrêmement petits dans les cellules à enclume de diamant. En utilisant ces appareils, des échantillons de matériau sont placés entre les têtes de deux diamants qui sont positionnés exactement en face l'un de l'autre et exercent une pression extrêmement élevée sur le matériau.

De cette façon, La cristallographie aux rayons X a conduit à des découvertes surprenantes sur les structures et le comportement de la matière encore et encore. Cependant, La spectroscopie RMN - qui est utilisée, par exemple, pour clarifier les structures et les interactions des biomolécules - n'avait pas encore été utilisé dans la recherche à haute pression. Il y avait un obstacle technique sur le chemin :jusqu'à présent, il était difficilement possible pour les champs magnétiques importants pour la RMN de se concentrer sur les minuscules échantillons dans les cellules à enclume de diamant et de mesurer les signaux ainsi produits.

Verres magnétiques combinés avec des diamants

Cependant, en août 2017, des scientifiques de l'Institute of Microstructure Technology du KIT ont publié une nouvelle méthode qui permet d'utiliser la spectroscopie RMN pour des expériences de haute précision dans de petits espaces. Ce faisant, ils ont apporté des améliorations pertinentes aux lentilles magnétiques connues sous le nom de "lentilles de Lenz" (du nom du physicien allemand Emil Lenz, 1804-1865). "Ces résultats de recherche à Karlsruhe nous ont immédiatement suggéré ici à Bayreuth que des lentilles de Lenz pourraient être installées dans les cellules à enclume de diamant pour permettre des expériences de RMN à haute pression, " a rapporté le Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky, chercheur haute pression à Bayreuth. Avec le Dr Sylvain Petitgirard et le Dr Thomas Meier du BGI, Dubrovinsky a pris contact avec l'équipe de chercheurs du professeur Dr. Jan Korvink à Karlsruhe. En peu de temps, une coopération intensive a permis de combiner les diamants dans les cellules d'enclume avec les lentilles de Lenz de telle sorte que les échantillons de matériau enfermés dans les cellules puissent être examinés par spectroscopie RMN. Dans les premières expériences, les échantillons ont été exposés à des pressions de 72 gigapascals (720, 000 bars), aux niveaux du manteau inférieur de la Terre.

De nouvelles perspectives pour la recherche et l'innovation

« Le portefeuille de procédés de cristallographie aux rayons X dont nous disposions jusqu'à présent pour la recherche à haute pression dans les géosciences et la science des matériaux s'est considérablement élargi grâce à l'ajout de la spectroscopie RMN. Les domaines d'application possibles ne sont même pas encore prévisibles. Nous pouvons maintenant étudier le comportement des électrons et des noyaux atomiques dans des systèmes importants en physique et en géologie avec un degré de précision beaucoup plus élevé qu'auparavant, " a expliqué Dubrovinsky. " Ces découvertes pourraient faire avancer des développements innovants, par exemple. dans le domaine de l'énergie ou de la technologie médicale. Un jour, ils peuvent même nous aider à résoudre la grande énigme de la naissance de la vie sur Terre, " a déclaré Dubrovinsky.