En la actualidad, existe un interés creciente en analizar las propiedades de la materia condensada en condiciones extremas de presión y de temperatura. Hoy en día es posible realizar experimentos a materiales sometidos a un amplio rango de presión, superando las condiciones que se dan en el centro de la Tierra (363 GPa) y alcanzando las de otros planetas (alrededor de 1 TPa). La luz de sincrotrón es muy útil en la investigación a alta presión. El tamaño de las muestras que se analizan son compatibles con la alta intensidad de los haces de rayos X y, por lo tanto, se pueden obtener patrones de difracción de gran calidad, especialmente a una presión superior a los 100 GPa.
No obstante, conocer el comportamiento a alta presión de los metales III-A (por ejemplo, Al, In, Ga y Tl) se ha convertido en un reto difícil ya que estos metales simples presentan propiedades inusuales cuando se someten a presión. El talio (Tl, Z = 81) es particularmente interesante por sus aplicaciones tecnológicas, ya que forma parte de productos utilizados en la industria electrónica, lentes de vidrio, semiconductores, tintes y pigmentos. En cambio, se ha estudiado poco en las últimas décadas debido a su alta toxicidad y a su tendencia a oxidarse.
Recientemente, un equipo de investigadores ha combinado la difracción de rayos X en la línea de luz de ciencia de materiales y difracción en polvo (MSPD) del Sincrotrón ALBA, y los cálculos ab initio, para analizar el comportamiento del talio en condiciones de alta presión y alta temperatura. "El estudio de materiales a presión y temperatura extremas nos ofrecen información de cómo puede ser el interior de los grandes planetas o de posibles nuevos usos en química avanzada", dice Catalin Popescu, uno de los autores del estudio y científico en la línea de luz MSPD.
Casi el doble de presión que en experimentos anteriores
En MSPD, los investigadores realizaron experimentos de difracción de rayos X (XRD) a diferentes condiciones de presión y temperatura, que iban desde casi los 0 GPa (presión ambiente) hasta los 125 GPa (más de un millón de veces la presión atmosférica en la superficie terrestre). Estas condiciones de presión extrema, que casi doblaban las alcanzadas en experimentos previos con talio, se obtuvieron utilizando celdas de diamante (diamond anvil cells en inglés, DAC), en las que los materiales se comprimen mientras los rayos X pasan a través de ellos. Éste es el primer estudio estructural por difracción de rayos X a alta temperatura en la línea de luz MSPD, gracias a un nuevo dispositivo diseñado específicamente.
Los investigadores confirmaron que el talio presentaba una primera transición a 3,5 GPa y estabilidad estructural a presiones más altas, hasta los 125 GPa. También comprobaron la existencia de fases a alta presión y alta temperatura y obtuvieron información precisa sobre diferentes propiedades físicas del talio. Los cálculos teóricos coincidieron con los resultados experimentales y predijeron la existencia de nuevas condiciones físicas a presiones de Tera pascales (1000 GPa).
Con este experimento, se ha ampliado la información sobre el talio, desvelando nuevos detalles de este material. "Identificar y comprender el comportamiento de los materiales en condiciones extremas es clave para desarrollar materiales con características nuevas o superiores", dice Catalin Popescu.
Figura: Selección de patrones de difracción de rayos X (XRD) del talio a diferentes presiones tomadas a temperatura ambiente (izquierda), a alta presión y alta temperatura correspondiendo con las tres fases encontradas en el experimento (centro arriba), diagrama de fases del talio (arriba derecha), instrumento de alta temperatura instalado en la línea de luz MSPD (abajo derecha).
