Rekonstrukcija uslova iz dubine Zemlje – kako se gvožđe nosi s visokim temperaturama i opterećenjem?

Povezane objave

• Nauka dala razlog zašto nikada nećemo sresti vanzemaljce 21/03
• Zašto je na većini drugih planeta nemoguć život? 14/03
• Putovanje avionom: šta sme u kabinu? 10/06

Nova zapažanja atomske strukture gvožđa otkrivaju da ono prolazi kroz nešto što se zove „bratimljenje“ kada se nađe pod ekstremnim opterećenjem i pritiskom. Daleko ispod vas leži sfera od čvrstog gvožđa i nikla široka otprilike kao najširi deo Teksasa: unutrašnje jezgro Zemlje.

Metal u unutrašnjem jezgru je pod pritiskom oko 360 miliona puta većim nego što ga doživljavamo u svakodnevnom životu a temperatura je približno ista kao na površini Sunca. Zemljino planetarno jezgro je na sreću netaknuto. Međutim, u svemiru, slična jezgra mogu da se sudare s drugim objektima, uzrokujući da se kristalni materijali jezgra brzo deformišu.

Neki asteroidi u našem Solarnom sistemu su zapravo masivni gvozdeni objekti za koje naučnici sumnjaju da su ostaci planetarnih jezgara nastali nakon katastrofalnih udara. Merenje šta se dešava tokom sudara nebeskih tela ili u jezgru Zemlje očigledno nije baš praktično. Kao takav, veći deo našeg razumevanja planetarnih jezgara zasniva se na eksperimentalnim studijama metala na manje ekstremnim temperaturama i pritiscima.

Ipak, istraživači iz Nacionalne akceleratorske laboratorije SLAC Ministarstva energetike su sada po prvi put primetili kako se atomska struktura gvožđa deformiše da bi se prilagodila stresu izazvanom visokim pritiskom i temperaturom prisutnim neposredno izvan unutrašnjeg jezgra. Rezultati su objavljeni u Physical Review Letters, gde su istaknuti kao predlog urednika.

Nošenje s opterećenjem

Većina gvožđa s kojim se susrećete u svakodnevnom životu ima atome raspoređene u nanoskopske kocke, s atomom gvožđa na svakom uglu i jednim u centru. Ako stisnete ove kocke primenom izuzetno visokih pritisaka, one se preuređuju u heksagonalne prizme, koje omogućavaju atomima da se čvršće spakuju.

Grupa u SLAC-u je želela da vidi šta će se dogoditi ako se nastavi vršenje pritiska na taj heksagonalni raspored u cilju oponašanja onoga što se dešava s gvožđem u Zemljinom jezgru.

„Nismo baš napravili unutrašnje osnovne uslove“, kaže koautorka Arijana Glison, naučnica u Odeljenju za nauku o visokoj gustini energije (HEDS) u SLAC-u. „Ali postigli smo uslove spoljašnjeg jezgra planete, što je zaista neverovatno. Niko nikada ranije nije direktno posmatrao reakciju gvožđa na opterećenje pod tako visokim temperaturama i pritiscima, tako da istraživači nisu znali kako će reagovati. Dok nastavljamo da ga guramo, gvožđe ne zna kako da se nosi s ovim dodatnim opterećenjem i treba da ga ublaži, tako da pokušava da pronađe najefikasniji mehanizam da to uradi. Mehanizam za suočavanje s tim dodatnim opterećenjem koji gvožđe koristi se naziva „bratimljenje“. Raspored atoma se pomera u stranu, rotirajući sve heksagonalne prizme za skoro 90 stepeni. Bratimljenje je uobičajena reakcija na pritisak u metalima i mineralima – kvarc, kalcit, titanijum i cirkonijum prolaze kroz bratimljenje. Ono omogućava da gvožđe bude neverovatno snažno, jače nego što smo prvobitno mislili, pre nego što počne da teče plastično na mnogo dužim vremenskim skalama“.

Priča o dva lasera

Za postizanje ovih ekstremnih uslova potrebna su dva tipa lasera. Prvi je bio optički laser, koji je generisao udarni talas koji je uzorak gvožđa izložio ekstremno visokim temperaturama i pritiscima. Drugi je bio SLAC-ov Linac koherentni izvor svetlosti (LCLS) rendgenski laser sa slobodnim elektronima, koji je omogućio istraživačima da posmatraju gvožđe na atomskom nivou. „U to vreme, LCLS je bio jedini objekat na svetu gde ste to mogli da uradite“, kaže glavni autor Sebastjen Merkel a Univerziteta u Lilu u Francuskoj. “Ovo je otvorilo vrata za druge slične objekte u svetu.”

Tim je ispalio oba lasera ​​​​na sićušni uzorak gvožđa otprilike širine ljudske kose, pogodivši gvožđe udarnim talasom toplote i pritiska. „Kontrolna soba je odmah iznad eksperimentalne sobe“, kaže Merkel. „Kada pokrenete pražnjenje, čujete glasno pucanje. Kako je udarni talas udario u gvožđe, istraživači su koristili rendgenski laser da posmatraju kako je udar promenio raspored atoma gvožđa. „Uspeli smo da izvršimo merenje u milijarditom delu sekunde“, kaže Glison. „Zamrzavanje atoma tamo gde se nalaze u toj nanosekundi je zaista uzbudljivo.”

Istraživači su prikupili ove slike i sastavili ih u niz koji je pokazao deformisanje gvožđa. Pre nego što je eksperiment bio završen, nisu znali da li će gvožđe reagovati prebrzo da bi izmerili ili presporo da bi ikada videli. „Činjenica da se bratimljenje dešava na vremenskoj skali koju možemo da izmerimo kao važan rezultat sama po sebi“, kaže Merkel.

Budućnost je svetla

Ovaj eksperiment služi kao držač za knjige za razumevanje ponašanja gvožđa. Naučnici su prikupili eksperimentalne podatke o strukturi gvožđa na nižim temperaturama i pritiscima i koristili ih za modeliranje kako bi se gvožđe ponašalo na ekstremno visokim temperaturama i pritiscima, ali niko nikada nije eksperimentalno testirao te modele. „Sada možemo podići palac gore i

zemljino jezgro

palac dole na neke od fizičkih modela za zaista fundamentalne mehanizme deformacije“, kaže Glison. „To pomaže da se izgrade neke od prediktivnih sposobnosti koje nam nedostaju za modeliranje u smislu kako materijali reaguju u ekstremnim uslovima.”

Studija pruža uzbudljiv uvid u strukturna svojstva gvožđa na ekstremno visokim temperaturama i pritiscima. Međutim, rezultati su takođe obećavajući pokazatelj da bi ove metode mogle pomoći naučnicima da shvate kako se i drugi materijali ponašaju u ekstremnim uslovima. „Budućnost je svetla sada kada smo razvili način da izvršimo ova merenja“, kaže Glison. „Nedavna nadogradnja rendgenskog ondulatora kao deo projekta LCLS-II pruža veće energije rendgenskih zraka, omogućavajući studije na debljim legurama i materijalima koji imaju nižu simetriju i složenije rendgenske otiske.

Nadogradnja će takođe omogućiti istraživačima da posmatraju veće uzorke, što će im dati sveobuhvatniji pogled na ponašanje atoma gvožđa i poboljšati njihovu statistiku. Osim toga, „nabavićemo snažnije optičke lasere uz odobrenje da nastavimo s novim vodećim laserskim postrojenjem, poznatim kao MEC-U“, kaže Glison. „To će budući rad učiniti još uzbudljivijim jer ćemo moći da dođemo do uslova unutrašnjeg jezgra Zemlje bez ikakvih problema.“