Um método inovador de raios-X permite novas investigações de alta pressão de amostras sob condições de manto profundo. A tecnica, que foi desenvolvido por uma equipe liderada por Georg Spiekermann do DESY, o Centro Alemão de Pesquisa de Geociências GFZ e a Universidade de Potsdam, amplia a gama de instrumentos disponíveis para pesquisadores de alta pressão. Testes bem-sucedidos do novo método na fonte de luz de raios X do DESY, PETRA III, apóiam a ideia de que elementos pesados ​​devem se acumular em magmas para que possam ser estáveis ​​nas profundezas do manto inferior da Terra. Os cientistas apresentam seus trabalhos na revista Revisão Física X .

As chamadas condições padrão da química, ou seja, uma temperatura de 25 graus Celsius e uma pressão de 1013 milibar, são realmente raros na natureza. A maior parte da matéria do universo existe em condições completamente diferentes. No interior da Terra, por exemplo, a pressão e a temperatura aumentam rapidamente para muitas vezes as condições padrão. "Contudo, mesmo com a perfuração profunda mais elaborada, apenas a parte superior da crosta terrestre é acessível, "Spiekermann enfatiza. Os pesquisadores, portanto, simulam as condições do interior da Terra em laboratório para investigar o comportamento da matéria nessas condições.

Esses experimentos muitas vezes envolvem a determinação da estrutura interna das amostras, que em muitos materiais muda com o aumento da pressão. Esta estrutura interna pode ser explorada com raios-X que são energéticos o suficiente para penetrar na amostra e curtos o suficiente em comprimento de onda para resolver os pequenos detalhes das distâncias atômicas. Para este propósito, geralmente existem dois métodos baseados em raios-X na pesquisa de alta pressão:absorção e difração de raios-X através da amostra.

Com base na emissão de raios-X, Spiekermann e sua equipe desenvolveram agora um terceiro método que pode ser usado para determinar as distâncias de ligação em matéria amorfa comprimida (desordenada) e o chamado número de coordenação, que indica quantos vizinhos diretos um átomo possui. Esses parâmetros podem ser lidos a partir da energia e intensidade da radiação de uma determinada linha de emissão da amostra, chamado Kβ "(" K-beta-doubleprime "). A radiação Kβ" é gerada quando a amostra é excitada com raios-X. A energia da linha de emissão depende do número de coordenação, a intensidade na distância de ligação.

Experimentos na estação experimental P01 na fonte de raios X PETRA III do DESY confirmaram o novo método. "Nós mostramos isso, usando o espectro de germânio em dióxido de germânio amorfo comprimido, mas este procedimento também pode ser aplicado a outros sistemas químicos, "diz Spiekermann.

O método fornecerá aos cientistas uma técnica adicional para investigar a estrutura de amostras de alta pressão. "A percepção fornecida por um novo método de medição é particularmente bem-vinda quando métodos diferentes produziram resultados significativamente diferentes até agora, como no caso do dióxido de germânio amorfo comprimido, "explica o pesquisador do DESY, Hans-Christian Wille, chefe da estação de medição P01 na qual os experimentos ocorreram.

Para seus experimentos, os pesquisadores expuseram amostras de dióxido de germânio (GeO2) a uma pressão de até 100 gigapascais, cerca de um milhão de vezes a pressão atmosférica ao nível do mar. Essa pressão corresponde a uma profundidade de 2.200 quilômetros no manto inferior da Terra. As medições mostram que o número de coordenação do dióxido de germânio não sobe para mais de seis, mesmo sob essa pressão extrema. Isso significa que, mesmo na fase de alta pressão, os átomos de germânio cada um ainda tem seis átomos vizinhos como já em 15 gigapascais.

Este resultado é de grande interesse para a exploração do interior da Terra, porque o dióxido de germânio tem a mesma estrutura e se comporta como o dióxido de silício (SiO2), qual é o principal componente dos magmas naturais em geral. Uma vez que fundidos como magma geralmente têm uma densidade mais baixa do que a forma sólida do mesmo material, há muito tempo é um mistério por que magmas em grandes profundidades não sobem em direção à superfície durante os períodos geológicos.

"Há duas possíveis explicações para isso, um químico, a outra estrutural, "Spiekermann explica." Os elementos pesados, como o ferro, se acumulam no fundido, ou existe um mecanismo especial de compactação nos fundidos que torna os fundidos mais densos do que as formas cristalinas da mesma composição. "O último seria perceptível, entre outras coisas, por um aumento no número de coordenação sob alta pressão.

"Nossas investigações mostram que até 100 gigapascais o número de coordenação no dióxido de germânio não cristalino não é maior do que na forma cristalina correspondente, "relata o pesquisador. Aplicado ao dióxido de silício, isso significa que o magma com uma densidade mais alta só pode ser produzido pelo enriquecimento de elementos relativamente pesados, como o ferro. A composição e estrutura do manto inferior têm consequências de longo alcance para o transporte global de calor e a propagação do campo magnético da Terra.