プラスチック弾でシリカを撃つことは、その結晶化を研究するのに役立ちました

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Anonim
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科学者によって得られた回折パターン

アメリカの物理学者は、プラスチック弾でシリカ(二酸化ケイ素SiO2)のサンプルを撃ち、衝撃波を誘発し、X線分光法を使用してそのような波の作用下での物質の結晶化を研究しました。その結果、科学者たちは、34万気圧のオーダーまで、シリカはアモルファスのままであるが、より高い圧力では相転移を起こし、結晶化することを発見しました。この記事はPhysicalReview Lettersに掲載され、Physicsによって簡単に報告されました。

シリカ(二酸化ケイ素SiO2)は、固体物理学や地球物理学でよく見られます。この物質は、私たちにとって珍しい条件に陥ることがあります。地殻は、シリカとケイ酸塩で87%構成されており、その基部の圧力は13に達する可能性があります。千気圧(地球の中心-最大百万気圧)。同時に、溶融シリカは光学材料としてよく使用されます(これは通常のガラスです)。したがって、超高出力レーザー放射との相互作用中に高温にさらされます。したがって、物理学者は、二酸化ケイ素が極端な条件下でどのように動作するかを知る必要があります。残念ながら、既存のモデルでは、高圧および高温で正確な予測を行うことができません。これは、このような圧力下で発生する相の構造を正確に知る必要があるためです。これは、比較的十分に研究されていません。

現在、科学者は衝撃圧縮の作用下でシリカに生じる3つの大きな相領域を区別しています。最大8〜9ギガパスカル(1ギガパスカルは約1万気圧)の衝撃波圧力では、二酸化ケイ素は弾性アモルファスモードのままです。つまり、密度と硬度が比較的低く、分子が無秩序になっています。それどころか、35ギガパスカルを超える圧力では、結晶化して、硬くて圧縮性の低い材料であるスティショバイトに変わります。

どちらの限定的なケースでも、シリカの挙動は十分に研究されていますが、アモルファス相と結晶相の間の遷移はほとんど研究されていません。さまざまな理論的研究により、10〜35ギガパスカルの中間領域では、シリカは純粋なアモルファス状態のままであるか、アモルファス相と結晶相の混合物であるか、これまで知られていなかった結晶構造を形成することが示されています。さらに、一部の物理学者は、波の通過に典型的な時間スケールで結晶化が発生する時間がないため、衝撃波の影響下ではスティショバイトをまったく形成できないと考えています。

しかし、Thomas Duffy(Thomas Duffy)が率いる科学者のチームは、中間領域を実験的に詳細に調べ、実際には結晶化が35ギガパスカルのオーダーの圧力でのみ発生し、低圧ではシリカがアモルファスのままであることを示しました。二酸化ケイ素プレートに衝撃波を発生させるために、彼らは毎秒1.8〜5.6キロメートルの速度でプラスチック弾を発射しました。これにより、12〜47ギガパスカルの圧力の波を得ることができました。弾丸の速度はレーザー干渉法を使用して正確に測定され、最大圧力はシリカと弾丸の既知の状態方程式に基づいて計算されました。これと並行して、科学者たちはブラッグ分光法(回折X線)を使用して結晶相の形成を特定しようと試みました。

ブラッグ分光法の原理を思い出してみましょう。電磁放射には波動特性があります。つまり、それを説明するときは、波動の振幅だけでなく、その位相も考慮する必要があります。このため、コヒーレント波が干渉する可能性があります。たとえば、光波を回折格子(多数の平行スリットのあるシート)に通し、その経路にスクリーンを配置すると、多数の光がどのように発生するかを確認できます。暗い縞模様が画面に表示されます。この場合、ストライプ間の距離は、波長(つまり、色)とグレーティングパラメータに依存します。通常、スロット間の距離は数十マイクロメートルと想定されています。ブラッグ分光法では、結晶はそのような格子として機能します-X線放射がその上に当たる角度に応じて、画面に配置されたストライプ間の距離が異なり、これにより、結晶間の距離を決定することができます結晶の原子とその構造。

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衝撃波のさまざまな圧力での角度に対する波の強さの依存性

サンプルにX線を照射した場合、スペクトルのピークは34ギガパスカルを超える圧力でのみ現れ、圧力の増加に伴ってそれらの位置は変化せず、距離は空間内で異なる方向のスティショバイト結晶に対応することが判明しました。ピークの広がりを推定して、研究者らはそのような結晶の半径を計算しました。これは約10ナノメートルであり、圧力の増加とともに増加しました。最後に、34ギガパスカル未満の圧力で干渉ピークがないため、科学者は、アモルファスシリカは圧力の増加とともに密度が高くなるものの、中間領域では「混合相」が形成されないと結論付けることができました。

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結晶の半径の衝撃波の強度への依存性

さらに、科学者たちは、実験的に測定された形成された結晶の密度の圧力依存性を、スティショバイトの断熱曲線の以前の測定値および数値計算と比較しました。新しいデータは以前の研究とよく一致していることが判明しました。

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スティショバイトと溶融シリカの断熱曲線、赤い三角形は新しい作業の結果を示します

今年の2月末、中国の地球化学者は、隕石が惑星の表面に衝突したときに発生する衝撃波の影響下で、追加の還元剤を必要とせずに炭酸塩鉱物から直接ダイヤモンドを形成できることを示しました。そして2016年3月、米国、英国、ドイツの物理学者が初めて「ライブ」で、衝撃圧縮下でのダイヤモンドとロンズデーライトの形成を確認しました。新しい研究と同様に、科学者はこれにX線分光法を使用しました。

最近、研究者は研究に利用できる圧力の限界をますます高くしています。そのため、2015年8月、ロシアの科学者を含む物理学者のグループが、ダイヤモンドセル内のサンプルに加えられた静圧の記録を打ち立てました。実験では、7,700万気圧の圧力を得ることができました。超高圧のオスミウムで発生する新しいクラスの電子遷移。しかし、すでに2016年に、この記録は、約1,070万気圧の圧力に達した別の物理学者グループによって破られました。科学者がこのような極端な条件下で物質を研究する方法の詳細については、私たちの記事「地球の中心への旅」を参照してください。

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