Cela d'enclusa de diamant

Esquema del núcleu d'una cela d'enclusa de diamant. El tamany del diamant és d'uns pocs milímetros com a molt.

Una cela d'enclusa de diamant (DAC per les seues sigles en anglés) és un dispositiu utilisat en experiments científics. Permet comprimir una chicoteta peça (de tamany sub-milimétrico) de material fins a pressiones extremes, les quals poden excedir els 300 gigapascales (3 000 000 atmòsfera).

El dispositiu ha segut utilisat per a recrear la pressió existent en lo profunt dels planetas, creant materials i fases no observades baix condicions normals. Eixemples notables inclouen el gele X no molecular, nitrogen polimèric i xenón metàlic (un gas inerte a baixes pressions).

Una cela d'enclusa de diamant consistix en dos diamants que s'oponen en una mostra comprimida entre els culets. La pressió pot ser monitoreada utilisant un material de referència el comportament baix de la qual pressió és conegut. Els estàndarts de pressió comunes inclouen la fluorescència del rubí, i varis metals estructuralment simples, tals com coure o platí. La pressió uniaxial proveïda per la cela d'enclusa de diamant pot ser transformada en pressió hidrostàtica uniforme utilisant un mig transmissor de pressió, tals com argón, xenón, hidrogen, heli, oli de parafina o una mescla de metanol i etanol. El mig transmissor de pressió està confinat per una junta i les dos encluses de diamant. La mostra pot ser vista a través els diamants i allumenada per rajos X i llum visible. D'esta forma, la difracció i fluorescència de rajos X; absorció òptica i fotoluminiscencia; la dispersió Mössbauer, Raman i Brillouin; la aniquilació de positrones i atres senyals poden ser medides a partir de materials baix alta pressió. Un camp magnètic i microones pot ser aplicat de manera externa a la cela permetent la resonància magnètica nuclear, resonància paramagnética electrònica i atres mides magnètiques. L'adjuntar electrodos a la mostra permet mides elèctriques i magnetoeléctricas aixina com el calfar la mostra a alguns mils de graus. Temperatures molt més altes (superiors a 7000 K) poden ser conseguides en calfament induït per làser, i el refredat fins a milikelvins ha segut demostrat.

Principi

L'operació de la cela d'enclusa de diamant es basa en un simple principi:

$p=\frac{F}{A}$

a on P és la pressió, F és la força aplicada, i A és l'àrea.

Per tant, una alta pressió pot ser alcançada per mig de l'aplicació d'una força moderada sobre una mostra en un àrea menuda, en lloc d'aplicar una gran força en una gran àrea. Per a minimisar la deformació i la falla dels enclusas que apliquen la força, deuen ser fets d'un material molt dur i virtualment incompresible tal com el diamant.

Història

La primera cela d'enclusa de diamant en el museu NIST de Gaithersburg. Es mostra la part que comprén l'ensamblage central mostrat en la figura superior.

Percy Williams Bridgman, pioner de l'investigació de l'alta pressió durant la primera mitat de el XX, va revolucionar el camp de les altes pressions en el seu desenroll d'un dispositiu d'enclusa en chicotetes àrees planes a on es pressionaven un contra l'atre en un braç de palanca. Les encluses varen ser fetes d'una aleació de wolframio-carbono (WC). Este dispositiu podia alcançar pressions d'uns quants gigapascales, i va ser utilisat en mides de resistència elèctrica i compresibilidad. L'invenció de la cela d'enclusa de diamant a finals dels anys 1950 en la Oficina Nacional de Normes (NBS) per Weir, Lippincott, Van Valkenburg, i Bunting va refinar més el procés. Els principis de la cela d'enclusa de diamant són similars als de les encluses Bridgman pero per a conseguir les pressions més altes possibles sense trencar les encluses, varen ser fets del material més dur conegut: un monocristal de diamant. Els primers prototips estaven llimitats en el seu ranc de pressió i no hi havia una forma confiable para calibrar la pressió. Durant les décades següents, les celes d'enclusa de diamant han segut successivament refinades, sent les innovacions més importants l'us de juntes i la calibración de la pressió del rubí. La cela va evolucionar per a ser el dispositiu de laboratori més poderós per a generar alta pressió estàtica. El ranc de pressió estàtica alcanzable s'estén hui fins a les pressions estimades en el centre de la Terra (360 GPa).