Forscher schaffen nanoskalige Sensoren, um besser zu sehen, wie hoher Druck auf Materialien wirkt

08.01.2020 - USA

Forscher haben eine neue Technologie im Nanobereich entwickelt, um die Spannungen und Dehnungen von Materialien unter hohem Druck besser abbilden und messen zu können.

Wie die Forscher in der Zeitschrift Science berichten, ist das wichtig, denn "Druck verändert die physikalischen, chemischen und elektronischen Eigenschaften der Materie".

Das Verständnis dieser Veränderungen könnte zu neuen Materialien oder neuen Phasen der Materie für den Einsatz in allen Arten von Technologien und Anwendungen führen, sagte Valery Levitas, ein Co-Autor des Papiers und Anson Marston Distinguished Professor in Engineering an der Iowa State University, dem Vance Coffman Faculty Chair und Professor für Luft- und Raumfahrttechnik.

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Levitas - dessen Labor auf experimentelle Tests und rechnerische Modellierung von Hochdruckwissenschaften spezialisiert ist - sagte, dass die neue Sensortechnologie auch Hochdruckstudien in Chemie, Mechanik, Geologie und Planetenforschung voranbringen könnte.

Die Entwicklung und Demonstration der Technologie wird in der von Science veröffentlichten Arbeit "Imaging stress and magnetism at high pressures using a nanoscale quantum sensor" beschrieben. Der Hauptautor ist Norman Yao, ein Assistenzprofessor für Physik an der Universität von Kalifornien, Berkeley. Mehdi Kamrani aus dem Bundesstaat Iowa, ein Doktorand der Luft- und Raumfahrttechnik, ist ebenfalls ein Co-Autor.

Der Artikel beschreibt, wie die Forscher eine Reihe von nanoskaligen Sensoren - sie nennen sie Stickstoff-Vakanz-Farbzentren - in Diamanten einbauen, die dazu dienen, hohen Druck auf winzige Materialproben auszuüben. Typischerweise haben diese "Diamantamboss"-Experimente mit Materialien, die zwischen zwei Diamanten gepresst werden, es den Forschern ermöglicht, Druck und Volumenänderungen zu messen.

Das neue System erlaubt es den Forschern, sechs verschiedene Spannungen abzubilden, zu messen und zu berechnen - eine wesentlich umfassendere und realistischere Messung der Auswirkungen von hohem Druck auf Materialien. Mit den neuen Tests können die Forscher auch Veränderungen des Magnetismus eines Materials messen.

"Dies ist eines der Schlüsselprobleme in der Hochdruckwissenschaft", sagte Levitas. "Wir müssen alle sechs dieser Spannungen an einem Diamanten und einer Probe messen. Aber es ist schwer, sie alle unter hohem Druck zu messen."

Levitas' Labor hat einzigartige Experimente durchgeführt, indem es Materialien unter hohen Druck setzte und ihnen dann eine Wendung gab, wodurch die Forscher den Druck der Phasenumwandlung drastisch reduzieren und nach neuen Phasen der Materie suchen konnten, die technologische Anwendungen haben könnten.

Das Labor führt auch Multiskalen-Computermodellierung für Hochdruck-Diamant-Ambossexperimente durch - Levitas sagt, es sei das einzige Labor der Welt, das solche Simulationen durchführt. Er sagte, dass die Erfahrung mit Hochdruck-Simulationen der Grund war, warum er eingeladen wurde, an Yaos Sensor-Projekt mitzuarbeiten. Mit Hilfe von Simulationen konnten die Felder aller sechs Spannungen im gesamten Diamantamboss, wo sie nicht gemessen werden konnten, rekonstruiert und die experimentellen Ergebnisse verifiziert werden. Levitas plant, diesen Sensor in seinem Labor einzusetzen.

Mit dem Sensor können "zwei komplementäre Ziele in der Hochdruckwissenschaft verfolgt werden: das Verständnis der Festigkeit und des Versagens von Materialien unter Druck (z.B. der spröd-duktile Übergang) und die Entdeckung und Charakterisierung exotischer Phasen der Materie (z.B. druckstabilisierte Hochtemperatur-Supraleiter)", schreiben die Forscher in ihrer Arbeit.

Die in der Arbeit beschriebene Stickstoff-Vakanz-Messtechnik wurde auch zur Messung anderer Materialeigenschaften - zum Beispiel elektrischer und thermischer Eigenschaften - eingesetzt. Die Forscher schrieben, dass sie "nun problemlos auf Hochdruckumgebungen ausgedehnt werden kann und damit eine große Bandbreite an Experimenten zur quantitativen Charakterisierung von Materialien unter solch extremen Bedingungen eröffnet".

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