ניתוח ההשפעה של לחץ על מבנה קריסטל באמצעות קריסטל בלחץ גבוה

הקדמה ל-High-Press Crystallography

קריסטלוגרפיה בלחץ גבוה היא ענף מיוחד של מדעי החומרים החוקר כיצד חומרים גבישיים מתנהגים כאשר נתון לכוחות דחיסות קיצוניים.על ידי תיקון תנאים שנעים מהפנים העמוקים של כוכבי הלכת אל פנים של כורים תעשייתיים מתקדמים, החוקרים יכולים להתבונן ולקבוע שינויים מבניים שאינם ניתנים לעצימה בלחץ אטומי, טכניקה זו הפכה חיונית להבנת הטבע הבסיסי של חומר, גילוי חומרים חדשים, ופתרון בעיות כימיות, תוך כדי שינוי פיזיקלי, תוך כדי שינוי יעיל, ואפקטים סטנדרטי, תוך כדי שינוי פיזיקלימיים, תוך כדי שינוי פיזיקלי משקל, ואפקטיביים, ואפקטים, תוך כדי שינוי פיזיקלי משקל, ואפקטיביים, תוך כדי שינוי, ואפקטים, תוך כדי שינוי פיזיקלי משקל, ואפקטיביים, ואפקטיביים, ואפקטיביים, ואפקטיביים, תוך כדי שינוי פיזיקלימיים, תוך כדי שינוי, עם לחץ פיזיקלימיים, ואפקטיביים, עם לחץ פיזיקלימיים, תוך כדי שינוי פיזיקלימיים, ואפקטיביים, ואפקטיביים, גם כן, תוך כדי שינוי פיזיקלימיים, ואפקטיביים סטנדרטיים, ומשתנים באופן שיטתי, ומשתנים באופן קבוע, ואפקטיביים,

הכלי הליבה בקריסטלוגרפיה המודרנית בלחץ גבוה הוא תא היהלומים avil (DAC), מכשיר המשתמש בשני יהלומים מנוגדים כדי לדחוס מדגם זעיר ללחץ מעל כמה מאות ג'יגה-אסקלים (GPa) בהקשר, 1 GPa הוא בערך 10,000 פעמים לחץ אטמוספירי, והלחץ במרכז כדור הארץ הוא בערך 360a GP.

יסודות של קריסטלוגרפיה גבוהה

מה זה "לחץ גבוה" ולמה זה משנה?

בחוויה יומיומית, שינויים בלחץ קטנים – כמה אטמוספירות במדע המדכאים, "גבוה" מתחיל בסביבות 1 GPa ויכול להגיע כמה מאות GPa. בלחצים אלה, המרחקים הבין-אטומיים ב מוצקות דחוסים על ידי 5 אחוזים עד 20 אחוזים או יותר, שינוי דרמטי של כוחות גמישים ואימפולסיביים.

The Diamond Anvil Cell and Complementary Techniques

תא היהלומים הוא סוס העבודה של קריסטלוגרפיה בלחץ גבוה. שני יהלומים מבריקים, כל אחד עם פרצוף זעיר שטוח שטוח, מתואמים קואקסיאלי. מדגם (בדרך כלל 50-100 מיקרומטר בקוטר) ממוקם בבור מתכתי בין היהלומים.על ידי הפעלת סט של ברגים או באמצעות מזכר pneicmbra, מוחל על ידי הפעלת לחץ דם כפול, אם הם נראים ביותר, 000, 000, אם כי הם מסוגלים לבצע את הדגמת של סרטן, הם מסוגלים לבצע את הדגימה, 000 חומר, כלומר, 000, 000, 000 חומר נפץ, 000, כי הם לעתים קרובות, 000, 000, 000, 000, כי הם לעתים קרובות, כי הם לעתים קרובות, 000 חומר נפץ, כי הם לעתים קרובות, כי הם מסוגלים לבצע את זה יכול להיות קשה יותר קל יותר קל יותר קל יותר קל, 000, 000, 000, אם כי הם מופעלת חומר נפץ, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 חומר נפץ, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 קל יותר קל יותר קל יותר קל יותר קל יותר קל יותר

מלבד DACs, פלטפורמות אחרות קיימות לצרכים ספציפיים.עיתונות גדולה (כגון מכשירים רב-אזרחיים) יכול להתמודד עם דגימות גדולות יותר (מילימטרים קוליים) אבל להגיע רק 30 GPa. הם מועדים עבור diffraction נויטרונים או עבור סינתזינג כמויות גדולות של שלבים חדשים.עבור לחצים גבוהים מעבר ל-600a, החוקרים פיתחו סוג כפול של דלקת מפרקים, אך ורק על גבי תאים מיוחדים, אך הם עדיין תלויים בדגמי Dutronicials, אך ורק על גודל של תאים, אך ורק על גבי הדגימה גבוהה).

שילוב לחץ עם טכניקות דיפרקציה

כדי להשיג מידע מבני תחת לחץ, השיטה הנפוצה ביותר היא X-ray diffraction (XRD) במתקני סינכרון כמו המקור Photon מתקדם (APS) בארצות הברית או European Synchrotron קרינה Facility (ESRF) בצרפת, אטומים אינטנסיביים, טונה X-ray-ray-ms מתמקדים כתמים בקנה מידה מיקרומטר.

השפעות של לחץ על מבנה קריסטל

שינויים בדיכוי ובשיתוף פעולה

ההשפעה המיידית ביותר של לחץ גבוה היא ההפחתה של מרחקים בין-אטומיים.ב גבישים איטוניים כמו NaCl (מלח לוח), פרמטר ה- lattice יורד באופן ליניארי עם לחץ במשטר האלסטי, בדרך כלל על ידי 1–2 אחוזים GPa. עם זאת, כמו עלייה בלחץ, יחידות לא ליניאריות משתנות באופן משמעותי דחיסה מהירה יותר, מה שמוביל לחפיפות מוגברת של אלקטרון של מסילות אבטחה.

בלחץ קיצוני, אפילו את האופי של אג"ח כימי יכול להשתנות.דוגמה קלאסית היא פחמן: בלחץ הסביבה, גרפיט יציב; מעל 5 GPa וטמפרטורה גבוהה, זה הופך ליהלומים. יותר באופן תת-קרקעי, במכות אלקאלי כמו ליתיום, אלקטרונים valence מאולץ בהדרגה לתוך אזורים titial, מה שגורם לסדרת מעברים ומוביל בסופו של דבר ל"תצורות אלקטרון גבוהות" אבל לא רק מכווץ.

המונחים: Stress-Induced Phase Transitions

אחד הביטויים הדרמטיים ביותר של לחץ גבוה הוא המראה של מבנים גבישיים חדשים לחלוטין.שלב מעברים תחת לחץ יכול להיות סדר ראשון (שינוי נפח בלתי עקבי) או סדר שני (מתמיד אך עם שינוי בסימטריה) המחקר של דיאגרמות בשלב כפונקציה של לחץ וטמפרטורה הוא יעד מרכזי של מגבת קרח גבוהה יותר.

במינרלים חשובים מבחינה גיאולוגית, כגון השלבים perovskite ופוסט-perovskite של MgSiO3, הלחץ משנה את המבנה בתנאים המתאימים למניפסט התחתון של כדור הארץ.הגילוי של המעבר שלאחר-perovskite ב-125a ו-2,500 K היה גילוי ציוני דרך שעזר להסביר את הסטיות הסיסמית'יות בדל" רק מעל שלב הליבה-הגבול, ובכך משפיע באופן דרמטי על פני כדור הארץ.

מעברי שלב אינם מוגבלים לחומרים אורגניים. גבישים אורגניים, תרופות ואפילו ביומולקוליקים יכולים לעבור פולימורפיזם המושרה בלחץ.יש לכך השלכות על יציבות סמים ונוסחאות, שכן הצורה היציבה ביותר בתנאים מסובכים עלולה לא להיות זהה בתנאים בלחץ גבוה נתקלו במהלך טבילה או אחסון בסביבות לחפות.

טרנספורמציות אלקטרוניות ומגנטיות

קרוב מאוד עם שינויים מבניים הם שינויים בתכונות אלקטרוניות ומגנטיות.לחץ יכול להניע חומר ממתכת ל insulator (מעבר מורט) או להיפך. לדוגמה, מוט קלאסי בסולטור V2O3 הופך מתכתי תחת כמה GPa. בדומה, הרגע המגנטי של תחמוצת רבים ניתן לדכא או לשפר.

יישומים אמיתיים

הבנה של הפנים העמוקים של כדור הארץ

אולי היישום הבוגר ביותר של קריסטלוגרפיה בלחץ גבוה הוא בגיאו-מדע. על ידי הדמיה של הלחץ והטמפרטורות של המנטה וההלבבה של כדור הארץ, מדענים קובעים את השלב כסופים, דחיות, ומהירויות סיסמיות של סיליקון של מינרלים.מידע זה קריטי גם לפירוש מודלים אור סימטריים ולהבין את ההרכב והאבולוציה של הפלנטה שלנו, למשל, ניסויים עתירי ברזל, יש השפעה רבה על מבנה הליבה של האדם (OST) ואפקטיביים (OST) על מודלים של חומר עמוק יותר, על גבי מינרלים) ואפקטיביים (DOPDScresktextexitL) על מודלים של תרכובות גבוהה יותר, אשר משפיע על מודלים של חומר זה משפיע על מודלים של חומר זה גם על מודלים של חומר זה גם על מודלים של חומר עמוק יותר, אשר משפיע על מודלים של חומר חום גבוה יותר, אשר משפיע על רמות גבוהות יותר, אשר משפיע על רמות גבוהות יותר, אשר עשוי להשפיע על מודלים ליבת גבוהה של חומר חום גבוה יותר, הוא גם על מודלים ליבת גבוהה של מינרלים.

חומרים גילוי וסינטות

גבישים עתירי אנרגיה גבוהה אינם רק כלי ללימוד חומרים קיימים; זה גם מסלול ליצירת חומרים חדשים.מרחב temperature הלחץ פועל ככור כימי עצום שבו ניתן לייצב תרכובות חדשות (לדוגמה, תרכובת בינארית פשוטה NaClture) בעלת לחץ על-ידי רופאי-על (Ricleep-irdicial) ו-Holtraicial) יש שינויים ב-Hicletraicials-Ricials-Ricials.

פיזיקה וכימיה

לחץ גבוה מספק קיטור ייחודי עבור בדיקות תיאוריות של חומר מזוהם.על ידי שינוי מתמיד של הליטקטיס, ניסיוניים יכולים למפות כיצד תכונות פיזיות להתפתח באופן מבוקר.זה היה חיוני להבנת מעברי מתכת, נקודות שלב ביניים קריטיות, והתנהגות של אלקטרונים מתואמות היטב. בכימיה, לחץ יכול לגרום לתגגז לא להתרחש בתנאים מורכבים, כגון סגסוגת X-D (אפקטיבי) של תכונות פשוטות של סגסוגת X.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות ההצלחות שלה, קריסטלוגרפיה בלחץ גבוה ניצבת בפני אתגרים משמעותיים.התנאים הקיצוניים עושים טיפול בדגימה קשה; גדלים מדגם הם זעירים, ו ⁇ לחץ יכולים לדרג את איכות הנתונים.הפיתוח של ננו-מקד X-focus X-ray וגלאים מהירים סייע, אבל אינדקס דפוסים של גבישים קטנים מאוד (לעיתים ננוקריסטל) נשאר ללא בעיות אחרות שמגיעות (מחץ גבוה) אך לחץ אולטרה-אופטימי (ממושך) אך הוא מלחץ בינוני (ממושך) אך הוא למעשה לחץ בינוני (ממושך) אך הוא מלחץ בינוני (לעתים קרובות).

כיוונים עתידיים כוללים שילוב של ניסויים בלחץ גבוה עם שיטות חישוב מתקדמות כגון תיאוריה פונקציונליות צפיפות וחיזוי מבנה גבישי. אלגוריתמי למידת מכונה משמשים יותר ויותר לנתח נתונים דיפרקציה וכדי לחזות אילו תרכובות חדשות עשויות להיות יציבות בלחץ נתון. הדור הבא של מקורות סינכרונכרן (למשל, טבעות אחסון הדור הרביעי) יספקו אפילו בהיר יותר, קוהרנטי יותר, המאפשרים זמן של מחקרים המבוססים על גבי Xvdows חדשים) של היווצרות X-X-Freray (תוספת זמן פנויה-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-in-reducated) של מערכות אחסון טבעות אחסון) מאפשר את טבעות אחסון).

גבול נוסף הוא המחקר של תנאים "קיצוניים" מעבר ללחץ סטטי – דחיסה דינמית (באמצעות לייזרים או אקדחי גז) מגיעה לטרפסאסקלים (TPa) ויכולה לחקור את מצב החומר בפנים פלנטריות ענקיות.שלב דחיסה דינמית עם דיפרקציה רנטגן הוא שדה מתפתח המבטיח לחשוף את התנהגות הפחמן, המים, המימן בתנאים בתוך ושבתאי.

מסקנה

קריסטלוגרפיה בלחץ גבוה התבגרה בשיטה רבת-תכליתית ורבת-עוצמה לחקור את התנהגות החומר בתנאים שהם קיצוניים ועמוקים גם חושף.מגילוי של hydrconducting חדשים להבהרת המינרלוגדי העמוק של כדור הארץ, התחום סיפק תשובות לשאלות בסיסיות על טבעם של מוצקים.

(בקריאה נוספת, לשקול משאבים כגון FLT:0) סקירה כללית על קריסטלוגרפיה בלחץ גבוה על ידי Hemley ו- Mau (מדע, 2002)FLT:1, TheFLT:2 חומרים פרספקטיבה על חומרים טבעיים על מוליכות גבוהה בלחץ על ידי Hemley ו-FLT:4Carnegie של מוסד מחקר גבוה מדכא:2 חומרים LT5 עבור מקורות נוספים אלה לספק תגליות מפורטות על בסיס מאמר זה.