Давление идет: новая технология сжатия материалов с давлением в миллион раз превышающим земную атмосферу.

Ответ: Вы испытываете давление, приближающееся к тем, кто находится внутри планет, что позволяет исказить практически любой материал до неузнаваемости.Исследователи из источника нейтронов расщепления (SNS) Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) разработали технологию сжатия материалов с давлением в миллион раз превышающим давление атмосферы Земли, изучая их с помощью нейтронов. Когда они бомбардируют эти материалы нейтронами, материалы дают беспрецедентную картину изменяющейся природы вещества под экстремальным давлением.Эта технология известна как ячейка с алмазной наковальней.

Он использует алмазы, кончики которых отполированы, для создания плоских поверхностей, а затем прижимает образец между этими поверхностями с огромной силой, чтобы создать экстремальную экспериментальную среду. Ячейки с алмазными наковальнями использовались в других типах экспериментов — например, для рассеяния рентгеновских лучей на синхротронах и для методов оптической спектроскопии — но их внедрение в сферу нейтронной науки создает уникальные возможности и огромную проблему.Возможность заключается в том, что рассеяние нейтронов может исследовать легкие элементы, такие как водород и кремний, так, как никакой другой метод не может.

В приборе SNS SNAP (SNAP означает нейтроны расщепления и дифрактометр давления) ученые изучают множество научных вопросов. Например, исследование сложного поведения льда при экстремальном давлении может дать нам представление о том, что происходит внутри газовых гигантов нашей солнечной системы, в то время как исследования влияния водорода на материалы, осажденные в тонкой пленке, могут устранить препятствия для более сложных производство электроники.Более крупные образцы«Самое интересное в давлении — это то, что вы можете вложить гораздо больше энергии, чем с помощью температуры», — сказала Бьянка Хаберл, научный сотрудник Вайнберга в SNS, который является пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики США. «Это означает, что вы можете гораздо больше изменить атомную связь. Нет другого способа изменить материалы так радикально, как с помощью давления».

Однако проблема этого подхода заключается в том, что для рассеяния нейтронов требуются образцы гораздо большего размера, чем для таких методов, как рассеяние рентгеновских лучей. Хотя это семя сельдерея может показаться крошечным на кончике вашего пальца, оно огромно в мире передовых методов рассеивания.«Если вы проводите оптические настольные или рентгеновские эксперименты, это порядка нескольких десятых миллиметра», — сказал Рейнхард Бёлер, который делит свое время между ORNL и Вашингтонским институтом Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия. «С нейтронами мы нужны размеры выборки, которые в несколько сотен раз больше, потому что потоки нейтронов обычно очень малы ».Это такая огромная проблема, потому что большие площади поверхности требуют гораздо большего усилия для достижения того же давления.

Фактически, рассеяние нейтронов с помощью ячеек с алмазными наковальнями было бы невозможно без двух крупных технологических достижений: самой SNS, которая доставляет самые интенсивные импульсные нейтронные пучки в мире, и недавних достижений в создании больших синтетических алмазов.Для проекта требовались гораздо более крупные алмазы — около 10 каратов — потому что более мелкие алмазы и их опоры ломаются под такой силой. Кроме того, исследователям нужны были монокристаллические алмазы, потому что композиты, которые сплавлены из более мелких алмазов, интерферируют с нейтронами.

Как вы понимаете, такие большие бриллианты дороги; Вам будет трудно найти натуральный алмаз в 10 карат менее чем за 200 000 долларов. Добавьте к этому тот факт, что алмазы определенно не вечны, когда их прессуют 15 тоннами, и становится ясно, что стоимость природных алмазов делает их непомерно высокими.

Бёлер сказал, что прорыв в алмазах — это технология, называемая химическим осаждением из паровой фазы, которая была оптимизирована для выращивания алмазов в его лаборатории в Карнеги и лицензирована для производства частными компаниями. Исследователи могут получить 10-каратные бриллианты, созданные с помощью этой техники, примерно за 7000 долларов.

Сжимая ледИсследования с использованием новой технологии до сих пор включали изучение воды — специальность Болера — и влияние водорода на тонкие пленки — исследование Хаберля. Оба используют уникальную силу нейтронной науки, сосредотачиваясь на водороде — самом легком элементе природы, имеющем только один протон.

Бёлер, специалист по геофизике, сжимал лед и водород, отчасти для того, чтобы воспроизвести внутренности таких планет, как Нептун и Уран. До сих пор он сосредоточился на молекулах водорода и воды — двух атомах водорода и одном кислороде — но он также уделяет внимание метану (четыре атома водорода и один углерод) и аммиак (три атома водорода и один азот).Его эксперименты в SNS до сих пор были сосредоточены на льду, содержащем дейтерий, изотоп водорода, ядра которого содержат как нейтрон, так и протон.

Он объяснил, что, несмотря на то, что вода является обычным явлением, она далеко не обычная при воздействии высокого давления, когда даже ее точка замерзания становится спорной.«Даже таяние воды под высоким давлением вызывает споры», — сказал он. «Если вы дадите эту задачу пяти группам, они дадут вам пять разных ответов, и различия не малы».

Используя лед с дейтерием, Болер и его коллеги Крис Тулк, Антонио Морейра душ Сантуш и Джейми Молисон из SNS, а также Малкольм Гатри, ранее работавший из Института Карнеги, смогли поместить образцы под давлением в миллион атмосфер. Пока они все еще находятся в процессе анализа результатов, теоретики предположили, что вода под высоким давлением ведет себя как кристалл, такой как каменная соль, или как металл.

«Теоретически с этим очень трудно справиться из-за очень разных межатомных сил для кислорода, водорода или дейтерия», — сказал он.Этот надоедливый водород

Хаберль, имеющий опыт работы в области материаловедения, использовал алмазные наковальни в SNS для изучения воздействия водородного загрязнения на нанесенные тонкие пленки, такие как кремний, используемый в электронике.Под тонкими мы понимаем пленки в тысячу раз тоньше человеческого волоса.

«Большинство полупроводников в настоящее время осаждены, — сказала она, — потому что они тонкие. Я говорю о 10–100 нанометрах, и чем тоньше их можно сделать, чтобы они все еще работали, тем меньше материала вам понадобится».Проблема с этими осажденными пленками состоит в том, что они неизменно содержат водород.

Стандартный кремний, не содержащий водорода, который подвергался воздействию высокого давления, демонстрирует захватывающее поведение и новые структуры даже после снятия давления. Такое поведение может привести к появлению ценных новых технологий. Более дешевый осажденный кремний — с водородом — не показывает такого же поведения, и те же полезные новые структуры не могут быть синтезированы.

«Каждый раз, когда вы что-то кладете, вы должны создавать вакуум, который никогда не бывает идеальным», — пояснила она. «Кроме того, вы часто начинаете с материалов, содержащих водород, поэтому в конечном итоге ваша осажденная пленка может содержать до 10 процентов водорода».По словам Хаберл, помещая осажденные пленки под высокое давление, она и ее коллеги надеются сделать эти тонкие пленки более полезными. Чтобы понять, почему эти осажденные пленки с водородом не приводят к появлению этих полезных новых структур, им необходимо рассеяние нейтронов просто потому, что водород невидим для рентгеновских лучей.Хаберл отметил, что их также интересуют другие материалы, помимо кремния — например, чрезвычайно твердые углеродные пленки, германиевые пленки, которые могут заменить кремний в полупроводниках, или другие так называемые составные полупроводники.

Забегая вперед, исследования высокого давления в SNS будут расширяться как на новые научные области, так и на другие инструменты на предприятии, в первую очередь на VISION. Предложения по исследованиям, поступающие на объект, включают исследования чистого углерода, сероводорода (очень многообещающего сверхпроводника) и даже тяжелых элементов, таких как актиниды (группа, которая включает уран и плутоний).

Бёлер сказал, что новая технология в сочетании со способностью SNS использовать нейтроны различными способами откроет новые захватывающие области знаний.«Теперь, с новой технологией наковальни, у нас есть большое окно новых возможностей».


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *