Cerdanyola del Vallès, 6 de septiembre de 2018. El campo de la ciencia de los materiales estudia las propiedades y procesos de los sólidos para comprender y descubrir sus capacidades. Las técnicas de luz de sincrotrón permiten analizar estos materiales en condiciones extremas (alta presión y alta temperatura), obteniendo nuevos detalles y un conocimiento profundo de ellos.
Al estudiar los comportamientos de fusión de los elementos y materiales terrestres en condiciones extremas, los investigadores pueden comprender los fenómenos que tienen lugar dentro de ellos. Esta información es de gran valor para descubrir cómo reaccionan estos materiales en el núcleo interno de la Tierra, pero también para otras aplicaciones industriales. El zinc es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre y se utiliza en múltiples áreas, como la construcción, la industria naval o la automoción.
Un grupo de investigadores de la Universidad de Valencia, la Universidad de Edimburgo, junto con el Sincrotrón ALBA y Diamond Light Source (Reino Unido), han analizado el diagrama de fase del zinc hasta 140 GPa y 6000K.
El objetivo del estudio fue comprobar la influencia de la presión y la temperatura en la estructura cristalina del zinc y determinar cómo evoluciona la densidad respecto a la presión y la temperatura. Normalmente, la densidad de los minerales aumenta alrededor de un 50% desde la superficie de la Tierra hasta el límite entre el núcleo y el manto debido a una enorme presión de alrededor de 135 GPa. Entonces, con este experimento, los investigadores han podido simular las mismas condiciones del zinc en el interior de la Tierra.
Durante el experimento, pudieron extender la curva de fusión del zinc de estudios previos de 24 GPa a 140 GPa. A 10 GPa, encontraron una transición de fase sólida-sólida entre las estructuras hexagonales isomórficas, que corresponde a una transición de fase isostructural de segundo orden.
Combinando técnicas experimentales y cálculos teóricos
Los investigadores combinaron diferentes metodologías en este experimento. Se realizaron análisis de difracción de rayos X a alta presión y alta temperatura en la línea de luz I15 (Diamond) y en la línea de ciencia de materiales y difracción de polvo (MSPD) en ALBA. Esto fue posible gracias a una configuración reciente desarrollada en ALBA y las mediciones con celdas de yunque de diamante calentadas por láser (realizadas en Diamond) para conseguir temperaturas superiores a 1000K. Los resultados experimentales se complementaron con cálculos teóricos utilizando la teoría del funcional de la densidad (DFT) implementada en el paquete de simulación ab initio de Viena (VASP).
Figura: Diagrama de fase P-T de zinc para P <16 GPa y T <1600K. Los puntos de datos cuadrados corresponden a las mediciones de difracción de rayos X. Los cuadrados sólidos se utilizan para la fase hexagonal de baja presión (hcp) y los símbolos vacíos para la fase hexagonal de alta presión (hcp '). Los círculos blancos, rojos y negros son puntos de fusión de estudios previos reportados en la literatura. Los triángulos son puntos de fusión obtenidos en las mediciones actuales de calentamiento por láser. Dentro de la figura, se muestra el desarrollo realizado en el Sincrotrón ALBA.
