Komora diamentowa

Schemat komory diamentowej

Komora diamentowa, imadło diamentowe[1] (używany jest skrótowiec DAC od angielskiej nazwy diamond anvil cell) – urządzenie pozwalające uzyskiwać w niewielkiej objętości ekstremalnie wysokie ciśnienie. Składa się z dwóch diamentów o stożkowatym kształcie, skierowanych do siebie wąskimi końcami. Nacisk na szerokie końce tych diamentów przekłada się na ciśnienie sięgające milionów atmosfer w punkcie styku.

Komora diamentowa używana jest do symulowania ciśnienia, jakie panuje we wnętrzu planet, umożliwiając tworzenie materiałów, jakie tam powstają. Przykładami materiałów, jakie wytworzono w ten sposób, są metaliczny wodór i ADNR.

Zasada działania

Działanie komory diamentowej opiera się na równaniu:

gdzie:

  • p – ciśnienie
  • F – przyłożona siła
  • S – powierzchnia.

Wysokie ciśnienie można uzyskać, przykładając siłę do małej powierzchni. Aby uniknąć deformacji i zniszczenia komory, musi ona być wykonana z możliwie twardego i mało ściśliwego materiału – a takim jest właśnie diament.

Historia

Percy Williams Bridgman opracował pierwsze wysokociśnieniowe komory wywierające nacisk na niewielkie powierzchnie. Używając komory z węgliku wolframu, uzyskał ciśnienie kilku gigapaskali (za swoje dokonania otrzymał Nagrodę Nobla w 1946 roku). Jego urządzenia zostały w kolejnych latach udoskonalone przez wprowadzenie rdzenia z najtwardszego znanego materiału, czyli diamentu, dodanie uszczelek i kalibracji ciśnienia za pomocą rubinu. Komory diamentowe pozwalają uzyskać ciśnienia statyczne rzędu 250 GPa[2]. Przy wyższym ciśnieniu diamenty zaczynają pękać. Wyższe ciśnienia można uzyskiwać, przepuszczając przez badaną próbkę falę uderzeniową, która dodatkowo ją kompresuje. Rekordowe wyniki sięgają 460 GPa, jednak takie ciśnienie można utrzymać tylko przez kilka nanosekund. W 2012 roku zaprezentowano komorę z wykorzystaniem nanokrystalicznego diamentu, który nie ma płaszczyzn łupliwości i dzięki temu nie pęka (w przeciwieństwie do jego postaci monokrystalicznej). Uzyskano w niej ciśnienie 640 GPa[2].

Konstrukcja

Trzy główne elementy komory diamentowej to:

  • przyłożenie siły – w postaci dźwigni, śruby lub hydraulicznego nacisku. We wszystkich przypadkach nacisk musi być skierowany w jednej osi na oba diamenty.
  • dwa stożkowate diamenty – pojedyncze kryształy bez skazy, zwykle o masie od ⅛ do ⅓ karata, oszlifowane w 16 faset. Ich wąskie końce muszą być dokładnie wyszlifowane w dwie równoległe płaszczyzny, prostopadle do których jest przykładana siła.
  • uszczelka – twarda metalowa folia rozdzielająca diamenty. Spełnia istotną rolę, utrzymując ściskaną próbkę oraz rozkładając ciśnienie równomiernie pomiędzy próbkę a krawędzie diamentów.

Przypisy

  1. ↑ Peter William Atkins: Chemia fizyczna. PWN, 2001, s. 185. ISBN 83-01-13502-6.
  2. ↑ a b Improved diamond-anvil cell allows higher pressures than ever before. physicsworld.com, 02-11-2012. [dostęp 2012-11-02]. (ang.).

Linki zewnętrzne

  • NIST. nvl.nist.gov. [zarchiwizowane z tego adresu (2011-10-15)]. – historia komór diamentowych (ang.)
  • The Diamond-Anvil Cell. crystal.vt.edu. [zarchiwizowane z tego adresu (2012-08-26)]. – Crystallography Laboratory at Virginia Tech (ang.)

Media użyte na tej stronie

DiaAnvCell1.jpg
Diamond anvil cell