Jak se dívat tisíce kilometrů hluboko do Země: Vlastnosti hornin se pod extrémním tlakem těžko měří. Vědci představují jednoduché řešení velmi náročného problému

Výzkumníci vedení Sergejem Lobanovem z GFZ German Research Center for Geosciences vyvinuli novou metodu měření hustoty skla oxidu křemičitého (SiO_{2), jednoho z nejrozšířenějších důležité materiály v průmyslu a geologii, při tlacích až 110 gigapascalů, 1,1 milionkrát vyšších než je normální atmosférický tlak. Místo použití vysoce zaostřeného rentgenového záření v synchrotronovém zařízení použili bílý laserový paprsek a diamantovou kovadlinu. O své nové a jednoduché metodě vědci referují v aktuálním vydání Physical Review Letters.}

Problém měření hustoty za extrémních podmínek

V geovědách je hustota minerálů, hornin a tavenin při tlacích až několik milionů atmosfér a teplotách několika tisíc stupňů kriticky důležitá, protože řídí dlouhodobý planetární vývoj i vulkanické procesy. Ale jak lze měřit hustotu materiálu v tak extrémních podmínkách? K zodpovězení této otázky pro krystalický minerál nebo horninu používají vědci rentgenovou difrakci, pomocí které se měří vzdálenost mezi periodicky uspořádanými atomy. Existuje však problém, pokud má materiál neuspořádanou strukturu, tj. je nekrystalický, jako jsou skla nebo roztavené horniny. V tomto případě musí být objem vzorku měřen přímo - hustota materiálu se rovná jeho hmotnosti dělené objemem. Taková měření jsou však extrémně obtížná kvůli malému objemu vzorku vystavenému vysokému tlaku. Dříve tato měření vyžadovala rozsáhlá rentgenová zařízení a vysoce specializované vybavení, takže byla velmi drahá. Nyní tým vedený vědcem Sergejem Lobanovem z GFZ German Research Center for Geosciences představuje novou metodu, ve které jim laser o velikosti krabice od bot umožňuje měřit objem vzorků přivedených na tlak podobný tlaku v hloubce více. než 2000 km na Zemi.

Uvnitř Země je hornina pod nepředstavitelně vysokým tlakem, až několik milionůkrát vyšším, než je normální atmosférický tlak. Na rozdíl od rozšířeného přesvědčení však zemský plášť není tekutý, ale pevný. Hornina se chová viskoplastickým způsobem: pohybuje se centimetr po centimetru za rok, ale při úderu kladiva by praskla. Nicméně pomalé pohyby pohánějí zemské korové desky a tektoniku, což zase spouští vulkanismus. Chemické změny, například způsobené vodou vytlačenou z desek subdukované kůry, mohou změnit bod tání horniny takovým způsobem, že se náhle vytvoří roztavené magma. Když se toto magma dostane do zemské kůry a na povrch, dojde k sopečným erupcím.

Hustota neuspořádaných materiálů

Žádný přístroj na světě nemůže proniknout zemským pláštěm a podrobně zkoumat takové procesy. Proto se člověk musí spoléhat na výpočty, seismické signály a laboratorní experimenty, aby se dozvěděl více o nitru Země. Diamantová kovadlinová buňka může být použita k vytvoření extrémně vysokých tlaků a teplot, které tam panují. Vzorky v něm zkoumané jsou menší než hrot špendlíku. Jejich objem je v rozsahu sub nanolitrů (např. alespoň 10 milionkrát menší než 1 mililitr). Když je materiál stlačen pod tak vysokými tlaky, změní se vnitřní struktura. Abychom to přesně analyzovali, používají se rentgenové paprsky na krystalech k vytvoření difrakčních obrazců. To umožňuje vyvozovat závěry o objemu krystalové mřížky a tím také o hustotě materiálu. Nekrystalické materiály, jako jsou skla nebo roztavené horniny, si zatím svá nejniternější tajemství nechávají pro sebe. U neuspořádaných materiálů totiž rentgenová difrakce neposkytuje přímou informaci o jejich objemu a hustotě.

Jednoduchý trik: měření laserem místo rentgenovým paprskem

Pomocí jednoduchého triku se nyní výzkumníkům pod vedením Sergeje Lobanova podařilo změřit index lomu a hustotu skla oxidu křemičitého (SiO₂), jednoho z nejdůležitějších materiálů v průmyslu a geologii při tlacích až 110 gigapascalů. Jedná se o tlak, který panuje v hloubce více než 2 000 kilometrů v nitru Země a je 1,1 milionkrát vyšší než normální atmosférický tlak. Vědci použili vícebarevný laser k měření jasu jeho odrazu od natlakovaného vzorku. Jas odrazu laseru obsahoval informace o indexu lomu, základní vlastnosti materiálu, která popisuje, jak se světlo zpomaluje a ohýbá, když prochází materiálem, ale také o délce dráhy laseru uvnitř vzorku. Materiály s vysokým indexem lomu a hustotou, jako jsou diamanty a kovy, se obvykle našemu oku jeví jako jasné a lesklé. Místo toho, aby se na drobné vzorky dívali pouhým okem, Lobanov a jeho kolegové použili výkonný spektrometr k zaznamenání změn jasu při vysokém tlaku. Tato měření poskytla index lomu SiO_{2 skla a poskytla klíčové informace pro kvantifikaci jeho hustoty.}

Význam měření hustoty skel pro geovědy

"Země byla před 4,5 miliardami let obrovská koule roztavené horniny. Abychom pochopili, jak se Země ochladila a vytvořila pevný plášť a kůru, potřebujeme znát fyzikální vlastnosti roztavených hornin při extrémním tlaku. Studium tavenin při vysokém tlaku je však extrémně náročné a k překonání některých z těchto výzev se geologové rozhodli studovat skla místo tavenin. Skla se vyrábějí rychlým ochlazením horkých, ale viskózních tavenin. V důsledku toho struktura skel často představuje strukturu tavenin, ze kterých byly vytvořeny. Předchozí měření hustoty skla při vysokém tlaku vyžadovala velká a drahá synchrotronová zařízení, která produkují těsně zaostřený paprsek rentgenových paprsků, které lze použít k prohlížení malého vzorku v diamantové kovadlinové cele. Byly to náročné experimenty a pouze hustoty velmi malého počtu skel byly naměřeny při tlaku 1 milionu atmosfér. Nyní jsme ukázali, že vývoj objemu vzorku a hustoty jakéhokoli průhledného skla lze přesně měřit až do tlaku alespoň 110 GPa pomocí optických technik, " říká Lobanov. "To lze provést mimo synchrotronová zařízení, a proto je mnohem jednodušší a méně nákladné. Naše práce tak dláždí cestu k budoucím studiím skel, které přibližují dnešní a dávno minulé taveniny Země. Tyto budoucí studie poskytnou nové kvantitativní odpovědi o vývoji rané Země a také o hnacích silách stojících za sopečnými erupcemi."

Nové možnosti zkoumání nekrystalických, původně neprůhledných pevných látek

Vzhledem k tomu, že vzorky jsou extrémně malé, a proto ultratenké, dokonce i materiály, které ve velkých kusech vypadají jako hrudka kamene, se stanou průsvitnými. Podle výzkumníků tento vývoj otevírá nové možnosti pro studium mechanických a elektronických vlastností nekrystalických pevných látek, které se ve větších objemech zdají být neprůhledné. Podle autorů studie mají jejich zjištění dalekosáhlé důsledky pro vědu o materiálech a geofyziku. Kromě toho by tyto informace mohly sloužit jako měřítko pro výpočetní studie transportních vlastností skel a tavenin za extrémních podmínek.

Lobanov zdůrazňuje, že tento druh studia umožnilo pouze kolegiální prostředí na GFZ. Vede Helmholtz Young Investigator Group s názvem CLEAR v sekci "Chemie a fyzika geomateriálů". „Naše experimentální schopnosti zkoumat vzorky při vysokém tlaku jsou jen jedna věc,“říká Lobanov, „přinejmenším stejně důležité byly diskuse s kolegy z jiných sekcí, které mi pomohly rozvinout nápady a realizovat je.“