یک تیم بین‌المللی از پژوهشگران روشی را توسعه داده‌اند که اجازه تولید فشارهای استاتیکی بالاتر  را در آزمایشگاه با استفاده از سلول تازه طراحی‌شده سندان-الماس می‌دهد. این پژوهشگران می‌توانند فشار 640GPa را تولید کنند. این فشار 50٪ بیشتر از فشاری است که قبلاً نشان داده بودند و 150٪ بیشتر از فشاری است که به واسطه‌ی رایج‌ترین آزمایش‌های فشار‌بالا به دست می‌آید.

عکسی ار سلول سندان-الماس متداول

در فشارهایی بسیار بیشتر از مقادیری که روی سطح زمین پیدا می‌شود، مواد می‌توانند به روش‌های عجیب و غریبی رفتار کنند. اکسیژن می‌تواند ابر‌رسانا شود در حالی که فلزات عایق می‌شوند. طی آزمایشی در سال 2007 سدیم تحت فشار 200GPa، دو میلیون برابر فشار روی سطح زمین، شفاف شد. نظریه‌پردازان پیش‌بینی کردند که هیدروژن می‌تواند به فلز تبدیل شود. در این زمینه مشاهدات تایید نشده‌ای نیز وجود دارد.

افزایش فشار

سلول سندان-الماس ابزار انتخابی برای تولید فشارهای بسیار بالا است. این سلول نمونه مورد نظر را بین دو قطعه‌ی کوچک بلور الماس، سخت‌ترین ماده شناخته‌شده، تحت فشار قرار می‌دهد. متاسفانه علی‌رغم سخت بودن الماس، آن نیز در نهایت می‌شکند. این باعث می‌شود تا برای رسیدن به فشارهای استاتیکی بالاتر از 250GPa و فشارهای تقریباً غیر‌ممکنِ بالاتر از 420GPa به چالش کشیده شود.

تاکنون تنها راه برای دست‌یافتن به فشارهای بسیار بالا در آزمایشگاه بمباران نمونه مورد نظر با استفاده از امواج ضربه‌ای بوده است کع موجب می‌شود نمونه به طور ناگهانی فشرده شده و فشارهای چند صد گیگا پاسکالی تولید نماید. اما در مورد این روش دو مشکل وجود دارد: اول اینکه زمان آزمایش تنها چندین نانو‌‌ثانیه است و دوم اینکه گرمای زیادی نیز تولید می‌شود. رهایی از این اثرات مشکل است چرا که اغلب جامدات به مایع تبدیل می‌شوند. این مشکل پیچیده‌ای برای متخصصان ژئو‌فیزیک است که به مطالعه واکنش‌های مرکز زمین می‌پردازند. جایی که فشار در بالای 350GPa پایدار است. و یا زمانی که به مطالعه سیاراتی می‌پردازند که از گاز تشکیل شده‌اند. برای مثال جایی که فشارهای داخلی بسیار بیشتر از این مقدار است. ابزاری که بتواند فشارهای استاتیکی در این گستره ایجاد کند می‌تواند در مطالعات مربوط به ژئو‌فیزیک مفید واقع شود.

خوشه‌های الماس

به منظور توسعه‌ی چنین ابزاری، لئونید دوبروینسکی و ناتالیا دوبرووینسکا از دانشگاه بایرویت آلمان با کمک همکارانشان از بلژیک و آمریکا سلول سندان-الماس موجود را با دقت بررسی کردند. این پژوهشگران نیمکره‌هایی از جنس نانو‌کریستال‌های الماسی با قطر 12 الی 20 میکرومتر از توپ‌های کربنی کوچکی در دمای 2200K و فشار 20GPa با استفاده از روش جدیدی تولید کرده‌اند. سپس سندان-الماس دو طبقه‌ایی ساخته‌اند. در بیرون دستگاه دو صفحه الماسی تخت قرار دادند و در درون آن‌ها نیمکره‌های نانو‌کریستال را قرار دادند. بعد از کمی بهینه سازی پژوهشگران توانستند فشار استاتیکی به میزان 640GPa روی نمونه ایجاد کنند.

افزایش پایداری

دوبرووینسکا معتقد است با استفاده از کنترل کامپیوتری می‌توان پایداری فشار را در دستگاه افزایش داد. او می‌گوید: «با افزایش پایداری می‌توان به فشارهای بالاتری دست یافت. این یک جنبه قضیه است. جنبه دیگر بهبود خود مواد است. قدرت نانو‌کریستال‌های الماس مانند هر ماده پلی‌کریستال دیگر به اندازه نانو‌ذرات بکار رفته بستگی دارد. بنابراین اگر ما از نانو‌کریستال‌هایی با اندازه و شکل‌های متفاوت استفاده کنیم، ممکن است نقش مهمی در این فرآیند ایجاد نماید.» کاتسویا شیموزو، یک متخصص مطالعه مواد در فشارهای بالا از دانشگاه اوزاکا ژاپن که رهبری تیمی را برعهده داشت که ابررسانایی اکسیژن را نشان داده‌اند، معتقد است: «اینکه در این روش مقدار کوچکی از نمونه بکار گرفته می‌شود، ممکن است محدودیت‌هایی ایجاد کند.» محققان به این نتیجه رسیده‌اند که دست‌یافتن به فشار استاتیکی 1TPa با استفاده از این سلول عملی است. فشار در مرکز بعضی از سیارات 700GPa است. بنابراین اگر دوبرووینسکا و همکارانش بتوانند روش خود را کامل کنند، ستاره‌شناسان ممکن است به زودی ابزاری برای مطالعه شرایط در این سیارات داشته باشند. این پژوهش در Nature Communications منتشر شده است.

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/nov/02/improved-diamond-anvil-cell-allows-higher-pressures-than-ever-before