Углекислый газ является ключевым компонентом углеродного цикла Земли, как в атмосфере, так и в мантии или горячем слое под земной корой. Исследования фаз твердого углекислого газа под высоким давлением и высокой температурой важны для понимания форм, которые углерод может принимать при экстремальных давлениях и температурах недр Земли.
Благодаря совместной обсерватории Deep Carbon, Адам Махлуф из Калифорнийского университета, факультета наук о Земле, космосе и планетах Лос-Анджелеса, и Крис Талк из отдела химических и инженерных материалов Ок-Риджской национальной лаборатории используют нейтроны для изучения фундаментальной роли углекислый газ играет роль в углеродном цикле Земли, особенно в составе углеродных резервуаров в недрах земли и в эволюции углеродного цикла с течением времени.
Махлуф и Талк используют прибор SNAP, линию луча SNS 3, расположенный в источнике нейтронов расщепления ORNL, чтобы получить представление о поведении углекислого газа в интенсивных условиях.
«Считается, что при высоких давлениях и температурах диоксид углерода может образовывать необычные связи, которые делают его химически очень похожим на диоксид кремния», - сказал Махлуф. «Углерод может быть намного больше, чем мы думаем, внутри Земли из-за реакций замещения с самым распространенным оксидом на Земле, двуокисью кремния».
Изучение таких специфических аспектов требует очень маленьких образцов, которые можно подвергнуть чрезвычайно высокому давлению, что возможно с помощью устройства, называемого ячейкой с алмазной наковальней. Эта ячейка сжимает образец между двумя алмазами и позволяет исследователям поместить образец в нейтронный пучок для получения кристаллографических данных. Хотя это высокое давление необходимо для анализа углекислого газа, высокие температуры также необходимы для полной интерпретации результатов.
«Никто никогда не нагревал лазером такой большой образец под высоким давлением», - сказал Махлуф. «Это исследование предназначено для развития нейтронной науки в ячейках с алмазными наковальнями, чтобы другие пользователи могли исследовать образцы при экстремальных температурах».
Эксперты по дифракции нейтронов ORNL Райнхард Белер и Тулк, ученый, работающий с прибором SNAP, внесли важный вклад в разработку этой методики.
Углекислый газ универсален, адаптируясь и образуя новые формы в зависимости от уровней давления и температуры. На самом деле фаза углекислого газа, известная как CO2-V, обычно возникает в суровых условиях, что позволяет эффективно изучать мантию Земли.
Несмотря на заметное влияние углерода на важнейшие планетарные функции, ученые еще не понимают деталей фаз высокого давления и температуры. Некоторые фазы стабильны до тех пор, пока не подвергаются значительным нарушениям. Например, фаза V диоксида углерода остается метастабильной даже в средах, не отвечающих условиям синтеза.
Увеличение знаний об этих формах укрепит понимание взаимодействия углерода на Земле, создав основу для будущих наблюдений и открытий.