College van de maand – Loepzuivere diamanten niet alleen voor de juwelier maar ook voor de geoloog!

Theorie achter nog hogere druk experimenten.

In mijn bachelor heb ik experimenten gedaan aan de kern-mantel grens van Mars en hierover geschreven. In het hoge druk lab van de Vrij Universiteit heb ik experimenten rond de 2 giga pascal (GPa) druk gedaan.  Omgerekend naar luchtdruk is 2 GPa gelijk aan 20.000.000 hPa of 19.738,47 Fysieke atmosfeer. Echter is de druk bij de kern - mantel grens veel hoger. Voor de maan zou het maar zo’n 5 GPa zijn, voor Mars is het ~23 GPa en voor de aarde is het meer dan 100 GPa. De druk in de binnenkern van de aarde

Fig. 1. Een paar perfect geslepen diamanten die een kleine kamer onder zeer hoge druk kunnen zetten. Bron: Solids, liquids, and gases under high pressure door Ho-Kwang Mao, Xiao-Jia Chen, Yang Ding, Bing Li, en Lin Wang (2018).

varieert tussen de 330 tot 360 GPa. De druk van mijn experiment komt daar niet eens bij  in de buurt. Voor betere resultaten bij het onderzoek van geologen zou het experimenteren bij hogere druk waarden moeten plaatsvinden. Vandaar dat men op zoek ging naar een manier om de druk op te voeren.

Eind jaren 50 van de vorige eeuw lukte het, Charles E. Weir, Alvin Van Valkenburg, Ellis R. Lippincott, en E. N. Bunting, medewerkers  van het NBS laboratorium in Washington om een nieuw soort hoge druk kamer te maken. Ieder van de vijf wetenschappers had een eigen expertise, waarbij van Valkenburg een geoloog was. Dankzij hen en de verbeteringen door de jaren heen bestaat er een diamond anvil cell. Hierbij kun je een experiment uitvoeren door materiaal te plaatsen tussen twee diamanten om een zeer hoge druk te creëren, waarbij je ook nog de temperatuur kan regelen. Helaas heeft de Vrij Universiteit in Amsterdam zelf geen diamond anvil cell, maar ik vond het zo leuk om hierover te leren dat ik het graag verder vertel.

Een diamond anvil cell, afgekort DAC, bestaat uit twee hoogwaardige diamanten. Deze diamanten moeten van top kwaliteit (loupe zuiver) zijn en mogen dus geen insluitsels of breuken bevatten. Tegenwoordig is het makkelijker en goedkoper om hiervoor laboratorium gegroeide diamanten te gebruiken omdat men dan zelf de kwaliteit kan bepalen. Vervolgens moeten deze diamanten geslepen worden, vaak door een diamantslijper, zodat ze van juweel kwaliteit zijn en aan boven- en onderkant een perfect recht vlak hebben. De twee perfect rechte vlakken dienen ook volledig parallel te  zijn zodat de druk gelijk kan worden verdeeld, zie fig. 1.
Omdat je door de diamanten heen kan kijken kun je tijdens het experiment je onderzoek materiaal zien. Hierdoor kan je ook tussentijds verschillende metingen uitvoeren, zoals temperatuur of het volume van de aanwezige mineralen en welke mineralen aanwezig zijn. Bepaalde metingen zoals neutron scattering (neutronen verstrooiing) vindt plaats over enkele honderden µm en is dus afhankelijk van de grootte van je te onderzoeken materiaal.

Fig. 2. Hoge druk kamer tussen twee diamanten met monster, druk kalibrerend mineraal en druk overdragend medium. Bron: Solids, liquids, and gases under high pressure door Ho-Kwang Mao, Xiao-Jia Chen, Yang Ding, Bing Li, en Lin Wang (2018).

De temperatuur kan worden verhoogd door middel van laser technieken. De diamanten laten gemakkelijk infrarode laserstralen door waardoor je heel precies een klein gebied, van je monster, kan verhitten tot wel 6000 Kelvin. Je monster bevindt zich in een kleine kamer in een holte tussen de twee diamanten, zie figuur 2. Een tussenlaag (Gasket) houd de diamanten op zijn plek en heeft ruimte voor hoge druk kamer. Tussen de twee diamanten zit een druk overdragend medium zoals een zout, een silicone olie of edelgassen zoals Argon en Helium. De belangrijkste voorwaarde is dat het medium niet reageert met het monster (sample in fig. 2). Ook zit in de druk kamer een stukje materiaal om de druk te kalibreren. Van dit materiaal is vooraf bekend hoe het reageert onder druk, waardoor de druk die op het monster wordt uitgeoefend berekend kan worden. Deze druk kalibratie wordt vaak uitgevoerd met robijn of platina. Het monster zelf kan een grootte hebben van 1000 µm tot 20 µm.

Sinds de DAC bestaat zijn er veel experimenten mee gedaan. Voor geologen is het interessant om daadwerkelijk te kunnen zien wat er onder zeer hoge druk met elementen gebeurt. Een voorbeeld: De wetenschappers Fujihisa en Takemura hebben in 1995 een nieuwe structurele fase transitie van mangaan boven 165 GPa bij kamertemperatuur ontdekt. Zoals hen zijn er vele andere onderzoekers die fase overgangen van mineralen of nieuwe fases van mineralen willen vastleggen.

Er wordt ook gekeken naar wie de hoogste druk kan bereiken. Momenteel staat de hoogste bereikte druk op 640 GPa, dat is twee keer de druk van de aardkern! Deze enorme druk is bereikt in de DAC door I. Kantor, V. Prakapenka, A. Kantor, P. Dera, A. Kurnosov, S. Sinogeikin, N. Dubrovinskaia, en L. Dubrovinsk in 2012. Zij konden deze hoge druk bereiken doordat zij een nieuw soort DAC ontwikkeld hadden die beter geschikt is voor zulke hoge drukken.

Naast deze hoge druk experimenten proberen wetenschappers een soort eigen heilige graal te vinden. In 1935 voorspelde Wigner en Huntington dat vast H2 kan omvormen tot vaste H (dus enkele waterstof). Hierdoor kan het reageren als- en de eigenschappen hebben van een metaal. Dit schijnt interessante geleidbaarheid eigenschappen te hebben (aldus mijn docenten), maar erg praktisch wordt het niet want men probeert dit te maken onder hoge druk ( ~270 GPa of hoger) en kamertemperatuur. Niet erg bruikbaar, maar wel een interessant experiment. Tot nu toe heeft nog niemand dit voor elkaar gekregen, al blijven veel wetenschappers het proberen.

Tot zo ver mijn huidige kennis over een diamond anvil cell. Hopelijk kan ik in de toekomst een keer een experiment hiervan mee maken.

Bron:

  • Mao HK, Chen XJ, Ding Y, Li B, Wang L. Solids, liquids, and gases under high pressure. Reviews of Modern Physics. 2018 Mar 20;90(1):015007.

Wil je meer weten over de Diamond Anvil Cell bekijk dan het volgende YouTube filmpje