En l'actualitat, hi ha un interès creixent en analitzar les propietats de la matèria condensada en condicions extremes de pressió i de temperatura. Avui dia és possible realitzar experiments a materials sotmesos a un àmplia varietat de pressió, superant les condicions que es donen al centre de la Terra (363 GPa) i arribant a les d'altres planetes (al voltant d'1 TPA, es a dir, 1000 GPa). La llum de sincrotró és molt útil en la recerca a alta pressió. La mida de les mostres que s'analitzen són compatibles amb l'alta intensitat dels feixos de raigs X i, per tant, es poden obtenir patrons de difracció de gran qualitat, especialment a una pressió superior als 100 GPa.
Tot i això, conèixer el comportament a alta pressió dels metalls III-A (per exemple, Al, In, Ga i Tl) és un repte difícil ja que aquests metalls simples presenten propietats inusuals quan se sotmeten a pressió. El tal·li (Tl, Z = 81) és particularment interessant degut a les seves aplicacions tecnològiques, ja que forma part de productes utilitzats en la indústria electrònica, lents de vidre, semiconductors, tints i pigments. En canvi, s'ha estudiat poc en les últimes dècades a causa de la seva alta toxicitat i la seva tendència a oxidar-se.
Recentment, un equip d'investigadors ha combinat la difracció de raigs X de la línia de llum de ciència de materials i difracció en pols (MSPD) del Sincrotró ALBA, i els càlculs ab initio, per analitzar el comportament del tal·li en condicions d'alta pressió i alta temperatura. "L'estudi de materials a pressió i temperatura extremes ens ofereix informació de com pot ser l'interior dels grans planetes o de possibles nous usos en química avançada", diu Catalin Popescu, un dels autors de l'estudi i científic en la línia de llum MSPD.
Gairebé el doble de pressió que a experiments anteriors
A MSPD, els investigadors van realitzar experiments de difracció de raigs X a diferents condicions de pressió i temperatura, que anaven des de gairebé els 0 GPa (pressió ambient) fins els 125 GPa (més d'un milió de vegades la pressió atmosfèrica que hi a la superfície terrestre). Aquestes condicions de pressió extrema, que gairebé doblaven les assolides en experiments anteriors amb tal·li, es van obtenir utilitzant cel·les de diamant (diamond anvil cells en anglès, DAC), en què els materials es comprimeixen mentre els raigs X els travessen. Aquest és el primer estudi estructural per difracció de raigs X a alta temperatura a la línia de llum MSPD, gràcies a un nou dispositiu dissenyat específicament.
Els investigadors van confirmar que el tal·li presentava una primera transició a 3,5 GPa i estabilitat estructural a pressions més altes, fins els 125 GPa. També van comprovar l'existència de fases a alta pressió i alta temperatura i van obtenir informació precisa sobre diferents propietats físiques del tal·li. Els càlculs teòrics van coincidir amb els resultats experimentals i van predir l'existència de noves condicions físiques a pressions de Tera pascals.
Amb aquest experiment, s'ha ampliat la informació sobre el tal·li, desvetllant nous detalls d'aquest material. "Identificar i comprendre el comportament dels materials en condicions extremes és clau per desenvolupar materials amb característiques noves o superiors", diu Catalin Popescu.
Figura: Selecció de patrons de difracció de raigs X (XRD) del tal·li a diferents pressions a temperatura ambient (esquerra), a alta pressió i alta temperatura corresponent amb les tres fases trobades en l'experiment (centre dalt), diagrama de fases del tal·li (a dalt dreta), instrument d'alta temperatura instal·lat a la línia de llum MSPD (baix dreta).
