Ответ: Вы получаете давления, приближающиеся к тем внутренним планетам, позволяя Вам исказить почти любой материал до неузнаваемости.Исследователи с Spallation Neutron Source (SNS) (ORNL) Окриджской национальной лаборатории разработали технологию, чтобы сжать материалы с миллион раз давление атмосферы Земли, изучая их с нейтронами.
Когда они бомбардируют эти материалы нейтронами, материалы предоставляют беспрецедентную картину изменяющейся природы вопроса под экстремальным давлением.Технология известна как алмазная клетка наковальни. Это использует алмазы, с подсказками которых покончили, чтобы создать плоские поверхности, затем нажимает образец между теми поверхностями с огромной силой, чтобы создать чрезвычайную экспериментальную окружающую среду.
Алмазные клетки наковальни использовались в других типах экспериментов – для рентгена, рассеивающегося в синхротронах и для оптических методов спектроскопии, например – но приносящий им в сферу нейтронной науки создает уникальную возможность и огромную проблему.Возможность состоит в том, что нейтронное рассеивание может исследовать легкие элементы, такие как водород и кремний способом, что никакой другой метод не может.
В инструменте SNAP SNS (SNAP выдерживает за Нейтроны Расщепления ядра и Давление Diffractometer), ученые исследовали множество научных вопросов. Например, исследование сложного поведения льда под экстремальным давлением может дать нам общее представление о том, что продолжается в газовых гигантах нашей солнечной системы, в то время как исследования в эффект водорода на материалах, депонированных в тонкой пленке, могут убрать препятствия для более передового производства электроники.Большие образцы«Захватывающая вещь о давлении – Вы, может вставить настолько больше энергии, чем Вы можете с температурой», сказала Бьянка Аберль, Товарищ Вайнберга в SNS, который является Офисом САМКИ Научного Пользовательского Средства. «Это означает, что Вы можете изменить атомное соединение настолько больше. Нет никакого другого способа изменить материалы так решительно, как Вы можете с давлением».
Проблема этого подхода, однако, состоит в том, что нейтронное рассеивание требует намного больших образцов, чем методы, такие как рассеивание рентгена. В то время как те семена сельдерея могут выглядеть крошечными на кончике Вашего пальца, это огромно в мире продвинутых методов рассеивания.«Если Вы делаете оптический настольный или делаете рентген экспериментов, это находится в заказе нескольких десятых частей миллиметра», сказал Райнхард Белер, который делит его время между ORNL и Институтом Карнеги Вашингтона в Вашингтоне, округ Колумбия «С нейтронами, нам нужны объемы выборки, которые в несколько сотен раз больше, потому что нейтронные потоки типично очень низкие».
Это – такая огромная проблема, потому что большие площади поверхности требуют, чтобы намного больше силы достигло того же самого давления. На самом деле нейтрон, рассеивающийся с алмазными клетками наковальни, был бы невозможен без двух главных технических достижений: сам SNS, который поставляет самое интенсивное, пульсировал нейтронные лучи в мире и недавние прорывы в создании больших синтетических алмазов.Для проекта были нужны намного большие алмазы – в районе 10 каратов – потому что меньшие алмазы и их поддержки ломаются под такой силой. Кроме того, исследователям были нужны одно-кристаллические алмазы, потому что соединения, которые сплавлены вместе от меньших алмазов, вмешиваются в нейтроны.
Как Вы могли бы предположить, такие большие алмазы дорогие; Вы были бы в затруднении, чтобы найти 10-каратовый естественный алмаз за менее чем 200 000$. Добавьте к этому то, что алмазы определенно не навсегда, когда они нажаты с 15 тоннами, и становится ясно, что стоимость естественных алмазов делает их препятствующими.Боехлер сказал, что алмазный прорыв был техникой, названной химическим смещением пара, которое оптимизировалось для алмазного роста его лабораторией в Карнеги и лицензировалось для частных компаний для изготовления. Исследователи могли создать 10-каратовые алмазы с этой техникой приблизительно за 7 000$.
Сжатие льдаИсследование с новой технологией до сих пор включало исследование воды – специальности Боехлера – и эффекта водорода на тонких пленках – Хэберл. Оба эксплуатируют уникальную силу нейтронной науки, сосредотачиваясь на водороде – самый легкий элемент природы, только с одним протоном.
Boehler, фон которого находится в геофизике, сжимал лед и водород, частично чтобы копировать интерьеры планет, такие как Нептун и Уран. До сих пор он сосредоточился на водородных и молекулах воды – двух водородных атомах и одном кислороде – но он также положил глаз на метан (четыре hydrogens и один углерод) и аммиак (три hydrogens и один азот).
Его эксперименты в SNS до сих пор сосредоточились на льду, содержащем дейтерий, водородный изотоп, ядра которого содержат нейтрон, а также протон. Столь распространенный, как вода, он объяснил, это совсем не нудно, когда выставлено высокому давлению, где даже его температура замерзания становится спорной.
«Даже таяние воды в высоком давлении очень спорно», сказал он. «Если Вы дадите ту проблему пяти группам, они дадут Вам пять различных ответов, и различия не небольшие».Используя лед с дейтерием, Boehler и коллеги, Крис Талк, Антонио Морейра Дос Сантос и Джейми Молэйсон от SNS, и Малкольм Гатри раньше Института Карнеги, были в состоянии подвергнуть образцы менее чем миллион атмосфер давления. В то время как они находятся все еще в процессе анализа результатов, теоретики предположили, что вода под высоким давлением ведет себя как кристалл, такой как каменная соль, или как металл.
«Теоретически, очень трудно обращаться из-за совсем других межатомных сил для кислорода или водорода или дейтерия», сказал он.Тот противный водородHaberl, фон которого находится в материаловедении, использовал алмазные наковальни в SNS, чтобы изучить эффекты водородного загрязнения на депонированных тонких пленках, таких как кремний, используемый в электронике.
Тонким мы имеем в виду фильмы, на в тысячу раз более тонкие, чем человеческие волосы.«Большинство полупроводников в наше время депонировано», сказала она, «потому что это тонко.
Я говорю приблизительно 10 миллимикронов с 100 миллимикронами, и чем разбавитель Вы можете сделать его и иметь его, все еще работают, тем менее существенный Вам нужно».Проблема с этими депонированными фильмами состоит в том, что они неизменно заканчивают тем, что содержали водород.
Стандартный, кремний без водорода, который был выставлен высокому давлению, показывает захватывающие поведения и новые структуры, даже после того, как давление удалено. Эти поведения могут привести к ценным новым технологиям. Более дешевый депонированный кремний – с водородом – не показывает то же самое поведение, и те же самые полезные новые структуры не могут быть синтезированы.
«Каждый раз, когда Вы вносите что-то, Вы должны сделать вакуум, который никогда не прекрасен», объяснила она. «Кроме того, Вы часто начинаетесь с материалами, которые содержат водород, таким образом, в конце Ваш депонированный фильм может содержать 10-процентный водород».Подвергая депонированные фильмы высокому давлению, Хэберл сказал, она и ее коллеги надеются сделать эти тонкие пленки более полезными. Чтобы понять, почему эти депонированные фильмы с водородом не приводят к этим полезным новым структурам, им нужно нейтронное рассеивание, просто потому что водород невидим для рентгена.Хэберл отметил, что они также интересуются материалами кроме кремния – например, чрезвычайно твердые углеродные фильмы, германиевые фильмы, которые могли заменить кремний в полупроводниках или других так называемых составных полупроводниках
Ожидая, исследование с высоким давлением в SNS расширится и до новых научных областей и до других инструментов в средстве, преимущественно инструмента ВИДЕНИЯ. Предложения по исследованию, входящие в средство, включают исследования чистого углерода, сероводорода (очень перспективный сверхпроводник), и даже тяжелые элементы, такие как актиниды (группа, которая включает уран и плутоний).
Боехлер сказал, что новая технология, вместе со способностью SNS эксплуатировать нейтроны во множестве путей, откроет захватывающие новые области знания.«Теперь, с новой технологией наковальни, у нас есть большое окно новых возможностей».