Badacze z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) zdobyli najdokładniejszy w historii wgląd w to, jak zachowuje się złoto w warunkach ekstremalnego ciśnienia. Porównywalnego z tym, które panuje we wnętrzu gigantycznych planet.
Używając precyzyjnych impulsów laserowych, udało im się sprasować metal do wartości około 10 milionów razy wyższych niż ciśnienie atmosferyczne na powierzchni Ziemi. To najwyższe ciśnienie, przy którym kiedykolwiek wykonano strukturalny pomiar złota.
Wyniki rozwiązują trwające od lat spory dotyczące zachowania tego metalu w ekstremalnych warunkach i dostarczają kluczowych danych dla badań nad wnętrzami planet oraz nad fizyką wysokich energii – także w obszarze fuzji jądrowej.
Rekordowe ciśnienie i migawki z wnętrza atomów
Aby osiągnąć tak ekstremalne wartości, naukowcy użyli specjalnie ukształtowanych impulsów laserowych w dwóch czołowych ośrodkach badawczych: National Ignition Facility (NIF) oraz OMEGA EP Laser System na Uniwersytecie Rochester. Lasery kompresowały próbki złota w ułamku sekundy, utrzymując przy tym stosunkowo niską temperaturę, dzięki czemu metal pozostawał w stanie stałym.
Za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej badacze wykonali „zdjęcia” atomów w czasie rzędu miliardowej części sekundy. To pozwoliło uchwycić momenty, w których struktura metalu zaczynała się zmieniać.
Jak podkreśla współautorka badań, dr Amy Coleman, dopiero teraz możliwe stało się jednoczesne wywołanie tak gigantycznych ciśnień i uchwycenie atomów w trakcie reorganizacji.
Złoto trzyma się dłużej, niż przewidywano. A potem zaczyna się dziać coś nowego
W normalnych warunkach złoto ma klasyczną strukturę FCC (face-centered cubic), bardzo stabilną i odporną na kompresję. Dotychczas modele teoretyczne nie zgadzały się jednak co do tego, przy jakim ciśnieniu struktura ta zaczyna się załamywać.
Nowe pomiary wskazują, że FCC utrzymuje się znacznie dłużej, niż sugerowały niektóre przewidywania. Aż do ciśnień dwukrotnie przekraczających wartość panującą w jądrze Ziemi.
Dopiero przy jeszcze wyższych wartościach pojawiają się pierwsze oznaki transformacji. Część atomów zaczyna układać się w strukturę BCC (body-centered cubic).
Co ważne, FCC nie znika od razu. Obie struktury współistnieją, co pozwala naukowcom dokładniej zrozumieć, jak przebiega ta fazowa zmiana i jak ważna jest rola temperatury w procesie.
Dlaczego to odkrycie jest tak ważne?
Złoto od dekad służy naukowcom jako materiał referencyjny w eksperymentach wysokociśnieniowych – między innymi przy badaniach wnętrz planet oraz projektowaniu nowych materiałów. Niepewności dotyczące jego zachowania pod ekstremalną kompresją powodowały jednak błędy w interpretacji wielu wyników.
Teraz, gdy wiadomo, jak dokładnie zachowuje się złoto w warunkach terapascalowych, eksperymenty oparte na jego pomiarach staną się bardziej wiarygodne.
– Każdy eksperyment, w którym złoto pełni rolę wzorca ciśnienia, od badań planet po rozwój nowych materiałów, korzysta z solidnej i zweryfikowanej wiedzy o tym metalu – mówi Coleman.
Wnioski z pracy LLNL wzmacniają fundamenty fizyki wysokich ciśnień i otwierają drzwi do jeszcze precyzyjniejszych badań nad materią w ekstremalnych warunkach.
Foto: Steve Bidmead z Pixabay.