Três das imagens coletadas no Setor de Compressão Dinâmica do Laboratório Nacional de Argonne, destacando sinais difratados registrados no detector de raios-X. A seção 1 mostra a estrutura cúbica centrada na face inicial; A seção 2 mostra a nova estrutura cúbica centrada no corpo em 220 GPa; e a Seção 3 mostra o ouro líquido em 330 GPa. Crédito:Laboratório Nacional Lawrence Livermore
O ouro é um material extremamente importante para experimentos de alta pressão e é considerado o "padrão ouro" para calcular a pressão em experimentos com bigorna de diamante estático. Quando comprimido lentamente à temperatura ambiente (da ordem de segundos a minutos), o ouro prefere ser a estrutura cúbica centrada na face (fcc) a pressões de até três vezes o centro da Terra.
Contudo, pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e do Carnegie Institution of Washington descobriram que quando o ouro é comprimido rapidamente em nanossegundos (1 bilionésimo de segundo), o aumento da pressão e da temperatura muda a estrutura cristalina para uma nova fase de ouro. Essa conhecida estrutura cúbica centrada no corpo (bcc) se transforma em uma estrutura de cristal mais aberta do que a estrutura fcc. Esses resultados foram publicados recentemente em Cartas de revisão física .
"Descobrimos uma nova estrutura em ouro que existe em estados extremos - dois terços da pressão encontrada no centro da Terra, "disse o autor principal Richard Briggs, pesquisador de pós-doutorado no LLNL. "A nova estrutura, na verdade, tem empacotamento menos eficiente em pressões mais altas do que a estrutura inicial, o que foi surpreendente, considerando a vasta quantidade de previsões teóricas que apontavam para estruturas mais compactadas que deveriam existir. "
Os experimentos foram realizados no Setor de Compressão Dinâmica (DCS) na Fonte Avançada de Fótons, Laboratório Nacional de Argonne. DCS é a primeira instalação de raios-X síncrotron dedicada à ciência de compressão dinâmica. Esses experimentos de usuário foram alguns dos primeiros realizados no hutch-C, a estação de laser de alta energia dedicada da DCS. O ouro era o assunto ideal para estudo devido ao seu Z alto (fornecendo um forte sinal de espalhamento de raios-X) e diagrama de fase relativamente inexplorado em altas temperaturas.
A equipe descobriu que a estrutura do ouro começou a mudar a uma pressão de 220 GPa (2,2 milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra) e começou a derreter quando comprimida além de 250 GPa.
“A observação de ouro líquido em 330 GPa é surpreendente, "Briggs disse." Esta é a pressão no centro da Terra e é mais de 300 GPa mais alta do que as medições anteriores de ouro líquido em alta pressão. "
A transição da estrutura fcc para bcc é talvez uma das transições de fase mais estudadas devido à sua importância na fabricação de aço, onde altas temperaturas ou estresse causam uma mudança na estrutura entre as duas estruturas fcc / bcc. Contudo, não se sabe qual mecanismo de transição de fase é responsável. Os resultados da equipe de pesquisa mostram que o ouro passa pela mesma transição de fase antes de derreter, como consequência da pressão e da temperatura, e futuros experimentos enfocando o mecanismo de transição podem ajudar a esclarecer detalhes importantes desta importante transição para a fabricação de aços fortes.
"Muitos dos modelos teóricos de ouro usados para entender o comportamento de alta pressão / alta temperatura não previram a formação de uma estrutura centrada no corpo - apenas dois em mais de 10 trabalhos publicados, "Briggs disse." Nossos resultados podem ajudar os teóricos a melhorar seus modelos de elementos sob compressão extrema e olhar para o uso desses novos modelos para examinar os efeitos da ligação química para ajudar no desenvolvimento de novos materiais que podem ser formados em estados extremos.