Em um artigo publicado recentemente no Journal of Applied Physics, uma equipe internacional de cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), do Laboratório Nacional Argonne e do Deutsches Elektronen-Synchrotron desenvolveu uma nova configuração de amostra que melhora a confiabilidade das medições da equação de estado em um regime de pressão não alcançável anteriormente na célula de bigorna de diamante.

Em termos de escala, medições estáticas de equação de estado de alta qualidade acima de 5 milhões de atmosferas, até as condições internas de Netuno, são possíveis com esta configuração.

O desenvolvimento do LLNL da célula de bigorna de diamante toroidal foi revolucionário em empurrar o limite de pressão estática nas ciências da matéria condensada. No entanto, o próximo passo crucial foi avançar na fabricação de amostras para experimentos mais complexos.

Experimentos de compressão estática para pressões maiores que 300 GPa são extremamente desafiadores, e o ambiente de compressão geralmente não é o ideal. Este novo pacote de amostra resolve este problema, e com um ambiente de compressão melhorado, a qualidade dos dados da equação de estado também é melhorada.

Este trabalho é um importante trampolim para experimentos otimizados de compressão estática nessas condições de vários megabares e fornece dados complementares aos experimentos com armas de gás e NIF conduzidos no LLNL.

"A partir daqui, podemos relatar calibrações confiáveis de equações de estado de materiais em condições mais de duas vezes maiores que a pressão medida pela maioria das equações de estado derivadas de células de bigorna de diamante", disse a cientista do LLNL Claire Zurkowski, primeira autora do artigo.

A equipe usou a célula de bigorna de diamante toroidal projetada pelo LLNL, capaz de atingir regularmente > 300 GPa com uma câmara de amostra de ~ 6 µm de diâmetro. Isso é da ordem de 20 vezes menor do que a largura de um fio de cabelo humano. Nesta pequena câmara de amostra, os cientistas então microfabricaram um pacote de amostra em um processo de 10 etapas, em que o material alvo é incorporado em uma cápsula uniforme de metal macio, que serve como um meio de transmissão de pressão.

Como as amostras na célula de bigorna de diamante são comprimidas pelas bigornas ao longo de apenas um eixo, é essencial redistribuir esse estresse uniformemente ao redor do material da amostra para obter uma medição confiável da equação de estado. No caso deste estudo, a cápsula de metal macio faz exatamente isso, mesmo em uma escala de mícron.

Os experimentos foram conduzidos no Argonne National Laboratory Sector 16 HPCAT e no Deutsches Elektronen-Synchrotron PETRA-III. Enquanto os cientistas testaram essa metodologia em molibdênio com um meio de transmissão de pressão de cobre, esse pacote de amostra pode ser amplamente aplicado.

"Este trabalho apenas marca o início da microfabricação de pacote de amostra na célula de bigorna de diamante toroidal", disse Zurkowski. "Prevemos que este método de encapsulamento de amostra levará prontamente as calibrações de equação de estado estática em física, química e materiais de ciência planetária para a faixa multi-megabar — condições em que os dados de compressão estática são muito limitados no momento."

Os coautores incluem Rachel Lim, Olivia Pardo, Earl O'Bannon, Per Soderlind e Zsolt Jenei do LLNL e K Glazyrin do Deutsches Elektronen-Synchrotron.