Pesquisadores liderados por Sergey Lobanov do Centro Alemão de Pesquisa em Geociências GFZ desenvolveram um novo método para medir a densidade do dióxido de silício (SiO₂ ) vidro, um dos materiais mais importantes da indústria e da geologia, a pressões de até 110 gigapascals, 1,1 milhão de vezes superior à pressão atmosférica normal. Em vez de empregar raios-X altamente focados em uma instalação síncrotron, eles usaram um feixe de laser branco e uma célula de bigorna de diamante. Os pesquisadores relatam seu novo e simples método na edição atual de Cartas de Revisão Física .
Nas geociências, a densidade de minerais, rochas e derretimentos em pressões de até vários milhões de atmosferas e temperaturas de vários milhares de graus é de importância crítica porque governa a evolução planetária de longo prazo, bem como os processos vulcânicos. Mas como a densidade de um material pode ser medida em condições tão extremas? Para responder a essa pergunta para um mineral cristalino ou uma rocha, os cientistas usam a difração de raios X com a qual se mede o espaçamento entre os átomos dispostos periodicamente. Há, no entanto, um problema se o material tiver uma estrutura desordenada, ou seja, não cristalino, como vidros ou rochas fundidas. Nesse caso, o volume da amostra deve ser medido diretamente - a densidade de um material é igual à sua massa dividida pelo volume. No entanto, tais medições são extremamente difíceis devido ao pequeno volume da amostra levada a alta pressão. Anteriormente, essas medições exigiam instalações de raios X em grande escala e equipamentos altamente especializados, sendo muito caros. Agora, uma equipe liderada pelo cientista Sergey Lobanov, do Centro Alemão de Pesquisa em Geociências GFZ, está introduzindo um novo método no qual um laser do tamanho de uma caixa de sapatos permite medir o volume de amostras submetidas a pressões semelhantes às da profundidade de mais de mais de 2.000 km na Terra.

Dentro da Terra, a rocha está sob uma pressão inimaginavelmente alta, até vários milhões de vezes maior do que a pressão atmosférica normal. No entanto, ao contrário da crença generalizada, o manto da Terra não é líquido, mas sólido. A rocha comporta-se de forma viscoplástica:move-se centímetro a centímetro por ano, mas rebenta com um golpe de martelo. No entanto, os movimentos lentos impulsionam as placas da crosta terrestre e a tectônica, que por sua vez desencadeiam o vulcanismo. Mudanças químicas, por exemplo, causadas pela água espremida das placas crustais subductadas, podem alterar o ponto de fusão da rocha de tal forma que o magma derretido de repente é formado. Quando esse magma chega à crosta terrestre e à superfície, ocorrem erupções vulcânicas.

Densidade de materiais desordenados

Nenhum instrumento do mundo pode penetrar no manto da Terra para estudar detalhadamente tais processos. Portanto, é preciso contar com cálculos, sinais sísmicos e experimentos de laboratório para aprender mais sobre o interior da Terra. Uma célula de bigorna de diamante pode ser usada para gerar as pressões e temperaturas extremamente altas que prevalecem lá. As amostras exploradas nele são menores que a ponta de um alfinete. Seu volume está na faixa de sub nanolitros. Quando o material é comprimido sob pressões tão altas, a estrutura interna muda. Para analisar isso com precisão, os raios X são usados ​​em cristais para gerar padrões de difração. Isso permite tirar conclusões sobre o volume da rede cristalina e, portanto, também a densidade do material. Materiais não cristalinos, como vidros ou rochas derretidas, até agora mantiveram seus segredos mais íntimos para si. Isso ocorre porque, para materiais desordenados, a difração de raios X não fornece informações diretas sobre seu volume e densidade.

Truque simples:medição com laser em vez de feixe de raios X

Usando um truque simples, pesquisadores liderados por Sergey Lobanov conseguiram agora medir o índice de refração e a densidade do dióxido de silício (SiO₂ ) vidro, um dos materiais mais importantes na indústria e geologia, a pressões de até 110 gigapascals. Esta é uma pressão que prevalece a uma profundidade de mais de 2.000 quilômetros no interior da Terra e é 1,1 milhão de vezes maior que a pressão atmosférica normal. Os pesquisadores usaram um laser multicolorido para medir o brilho de seu reflexo na amostra pressurizada. O brilho da reflexão do laser continha informações sobre o índice de refração, uma propriedade fundamental do material que descreve como a luz diminui e se dobra à medida que viaja através do material, mas também o comprimento do caminho do laser dentro da amostra. Materiais com alto índice de refração e densidade, como diamantes e metais, normalmente parecem brilhantes e brilhantes aos nossos olhos. Em vez de olhar para as pequenas amostras a olho nu, Lobanov e seus colegas usaram um poderoso espectrômetro para registrar mudanças no brilho em alta pressão. Essas medições renderam o índice de refração de SiO₂ vidro e forneceu informações importantes para quantificar sua densidade.

Significação da medição de densidade de vidros para as geociências

"A Terra era uma bola gigante de rocha derretida há 4,5 bilhões de anos. Para entender como a Terra esfriou e produziu um manto sólido e uma crosta, precisamos conhecer as propriedades físicas das rochas derretidas em extrema pressão. No entanto, estudar derretimento em alta pressão é extremamente desafiador e para contornar alguns desses desafios, os geólogos optam por estudar vidros em vez de derretimentos. Os vidros são produzidos por resfriamento rápido de derretimentos quentes, mas viscosos. Como resultado, a estrutura dos vidros geralmente representa a estrutura dos derretimentos de onde foram formados. Medições anteriores de densidade de vidro em alta pressão exigia instalações síncrotron grandes e caras que produzem um feixe de raios X bem focado que pode ser usado para visualizar a pequena amostra em uma célula de bigorna de diamante. foi medido a uma pressão de 1 milhão de atmosferas. Mostramos agora que a evolução do volume da amostra e da densidade de qualquer vidro transparente pode ser mediu com precisão até pressões de pelo menos 110 GPa usando técnicas ópticas", diz Lobanov. "Isso pode ser feito fora das instalações síncrotron e, portanto, é muito mais fácil e menos dispendioso. Nosso trabalho, portanto, abre caminho para estudos futuros de vidros que se aproximam dos derretimentos atuais e antigos da Terra. Esses estudos futuros fornecerão novas respostas quantitativas sobre a evolução da Terra primitiva, bem como as forças motrizes por trás das erupções vulcânicas."

Novas possibilidades para a investigação de sólidos não cristalinos, inicialmente não transparentes

Como as amostras são extremamente pequenas e, portanto, ultrafinas, mesmo materiais que parecem um pedaço de rocha em pedaços grandes se tornam translúcidos. Segundo os pesquisadores, esses desenvolvimentos abrem novas possibilidades para estudar as propriedades mecânicas e eletrônicas de sólidos não cristalinos que parecem não transparentes em volumes maiores. De acordo com os autores do estudo, suas descobertas têm implicações de longo alcance para a ciência dos materiais e a geofísica. Além disso, essas informações podem servir como referência para estudos computacionais das propriedades de transporte de vidros e fundidos sob condições extremas.

Lobanov ressalta que esse tipo de estudo só foi viabilizado pelo ambiente colegial da GFZ. Ele lidera um Grupo de Jovens Investigadores Helmholtz chamado CLEAR na seção "Química e Física de Geomateriais". "Nossa capacidade experimental para sondar amostras em alta pressão é apenas uma coisa", diz Lobanov, "pelo menos tão importante foram as discussões com colegas em outras seções, que me ajudaram a desenvolver as ideias e implementá-las".