Kemiska sammansättningar och material får ändrade egenskaper när de utsätts för högre tryck och temperatur. Diamant är ett sådant exempel. Från början är det organiskt kol som under lång tid pressas samman av trycket i jordens inre. På liknande sätt vill forskare skapa nya material i labb under ännu högre tryck.
– Enligt våra teoretiska modelleringar ska det gå att skapa helt nya material under så högt tryck som en terapascal – det är cirka tre gånger högre tryck än i jordens mitt. Men fram tills nu har tekniken begränsat de möjligheterna, säger Igor Abrikosov, professor vid Linköpings universitet och en av huvudförfattarna bakom en ny studie som publiceras i den vetenskapliga tidskriften Nature.
Rekordtryck
Den tidigare högsta gränsen för materialsyntes med så kallad högtryckskristallografi låg på cirka 200 gigapascal. Men tack vare snabba tekniska landvinningar har forskare vid universitetet i Bayreuth, i långvarigt samarbete med bland andra Linköpings universitet, utvecklat en metod där det går att skapa nya material vid 900 gigapascal.
— Det är första gången ett material skapas vid så högt tryck i ett laboratorium. Det öppnar dörren för att syntetisera fler nya material som tidigare bara kunde skapas i teorin, säger Igor Abrikosov.
Med hjälp av laser och ett så kallat dubbelstegs diamantstäd har forskarna dels lyckats skapa en legering med rhenium och kväve, dels syntetiserat rhenium-nitrid, Re7N3. Det är första gången något av materialen existerar i verkligheten utanför teoretiska modeller. Natalia Dubrovinskaia är professor vid universitetet i Bayreuth och gästprofessor inom satsningen på avancerade funktionella material vid Linköpings universitet. Hon menar att potentialen är stor:
– Om vi tillämpar högtryckskristallografi i terapascalområdet i framtiden kan vi göra ytterligare överraskande upptäckter. Dörrarna står nu vidöppna för kreativ materialforskning som genererar och visualiserar oväntade strukturer under extrema förhållanden, säger Natalia Dubrovinskaia.
Quenching
Nästa steg för forskningen är att få kontroll på materialen som syntetiseras vid så högt tryck. Många material skulle falla sönder när trycket släpper. Men genom en process som på engelska kallas ”quenching” kan det nya materialet bestå under normala förhållanden. På samma sätt som en diamant skapas under högt tryck i jordens inre och består, ska de nya materialen syntetiseras för att sedan genomgå quenching och bli beständiga. Med hjälp av teoretiska beräkningar går det identifiera vilka material som lämpar sig för quenching. Det skulle enligt forskarna bana vägen för att använda helt nya material i mängder med tillämpningar.
Forskningen finansierades av bland annat Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, den strategiska forskningsområde för avancerade funktionella material, AFM, vid Linköpings universitet, den strategiska forskningsområde SeRC, Vetenskapsrådet, Vinnova och Stiftelsen för strategisk forskning.
Artikeln: Materials synthesis at terapascal static pressures Leonid Dubrovinsky, Saiana Khandarkhaeva, Timofey Fedotenko, Dominique Laniel, Maxim Bykov, Carlotta Giacobbe, Eleanor Lawrence Bright, Pavel Sedmak, Stella Chariton, Vitali Prakapenka, Alena V. Ponomareva, Ekaterina A. Smirnova, Maxim P. Belov, Ferenc Tasnádi, Nina Shulumba, Florian Trybel, Igor A. Abrikosov, Natalia Dubrovinskaia Nature 2022 doi: 10.1038/s41586-022-04550-2
Fotnot: Tryck mäts i SI-enheten pascal (Pa). Ofta har den ett prefix då en pascal är en liten enhet. En gigapascal är en miljard pascal (109) och en terapascal är tusen gigapascal (1012). Jämför med atmosfärtrycket vid jordytan som är 100 000 pascal.
