يعد الرنين المغناطيسي النووي أحد أهم الأدوات الطيفية. هنا ، يتم تقديم تطوير نهج جديد تحت ضغط عال ، يصل حاليا إلى 10.1 GPa. هذا يفتح نافذة جديدة على فيزياء المادة المكثفة والكيمياء ، حيث تعتبر أبحاث الضغط العالي ذات أهمية كبيرة.
مقالة منهجية
يعد الرنين المغناطيسي النووي أحد أهم الأدوات الطيفية. هنا ، يتم تقديم تطوير نهج جديد تحت ضغط عال ، يصل حاليا إلى 10.1 GPa. هذا يفتح نافذة جديدة على فيزياء المادة المكثفة والكيمياء ، حيث تعتبر أبحاث الضغط العالي ذات أهمية كبيرة.
الرنين المغناطيسي النووي (NMR) هو أحد أهم التقنيات لدراسة أنظمة المادة المكثفة وتركيبها الكيميائي وخصائصها الإلكترونية. يتيح تطبيق الضغط العالي للمرء تصنيع مواد جديدة ، لكن استجابة المواد المعروفة للضغط العالي هي أداة مفيدة للغاية لدراسة هيكلها الإلكتروني وتطوير النظريات. على سبيل المثال ، قد يكون التوليف عالي الضغط هو أصل الحياة. وفهم سلوك الجزيئات الصغيرة تحت الضغط الشديد سيخبرنا المزيد عن العمليات الأساسية في كوننا. لا عجب أنه كان هناك دائما اهتمام كبير بتوفر الرنين المغناطيسي النووي عند ضغوط عالية. لسوء الحظ ، غالبا ما تكون الضغوط المطلوبة في نطاق Giga-Pascal (GPa) وتتطلب أجهزة خلية سندان خاصة حيث تتوفر أحجام صغيرة جدا ومنعزلة فقط. وقد أدى ذلك إلى تقييد استخدام الرنين المغناطيسي النووي بالكامل تقريبا في الماضي ، وفي الآونة الأخيرة فقط ، تم طرح نهج جديد ل GPa NMR عالي الحساسية ، والذي يحتوي على ملف دقيق رنين داخل غرفة العينة. يمكننا هذا النهج من تحقيق حساسية عالية من خلال التجارب التي تجلب قوة الرنين المغناطيسي النووي إلى أبحاث المادة المكثفة بضغط جيجا باسكال. تظهر التطبيقات الأولى ، الكشف عن التحول الإلكتروني الطوبولوجي في معدن الألومنيوم العادي وإغلاق الفجوة الزائفة في الموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية ، قوة مثل هذا النهج. وفي الوقت نفسه ، تم زيادة نطاق الضغوط التي يمكن تحقيقها بشكل كبير مع جيل جديد من خلايا السندان (حتى 10.1 جيجا باسكال) ، والتي تناسب مغناطيس الرنين المغناطيسي النووي القياسي. قد يصبح هذا النهج أداة جديدة ومهمة للتحقيق في العديد من أنظمة المادة المكثفة ، في الكيمياء والكيمياء الجيولوجية والفيزياء ، حيث يمكننا الآن مشاهدة التغييرات الهيكلية بعيون مسبار متعدد الاستخدامات.
منذ التجارب السمة المميزة بيرسي برجمان من المادة المكثفة تحت ضغوط الهيدروستاتيكي عالية في بداية القرن الماضي، تطورت مجال الفيزياء ارتفاع ضغط بسرعة 1. ومن المعروف أن هناك عدد كبير من الظواهر المثيرة للاهتمام أن تحدث في ظل الضغوط من عدة كيلوبار 2. وبالإضافة إلى ذلك، واستجابة النظم المادة المكثفة لارتفاع ضغط علمتنا الكثير عن ارضه الإلكترونية والحالات المثارة 3،4.
للأسف، وتقنيات للتحقيق في خصائص الإلكترونية من المادة المكثفة في الضغوط جيجا باسكال نادرة، مع الأشعة السينية أو قياسات المقاومة DC تقود الطريق 5. على وجه الخصوص، لا بد من الكشف عن لحظات الإلكترونية أو النووية المغناطيسية مع دوران الإلكترون (ESR) أو الرنين النووي المغناطيسي (NMR) التجارب، ليكون من المستحيل تقريبا لتنفيذ نموذجية في خلايا سندان الضغط العالي حيث يحتاج المرء لاسترداد إشارة من الخامس الصغيرolume المنصوص عليها من قبل وسندنات طوقا الختم.
لقد حاولت عدة مجموعات على حل هذه المشكلة باستخدام الترتيبات المعقدة، على سبيل المثال، اثنين انقسام بين زوج التردد الراديوي (RF) لفائف الجرح على طول الجناحين من سندنات 6؛ حلقة مفردة أو مزدوجة دبوس الشعر مرنان 7،8. . أو حتى طوقا انقسام الرينيوم باعتباره RF البيك اب لفائف 9، انظر الشكل 1 لسوء الحظ، هذه النهج لا يزال يعاني من انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، مما يحد من التطبيقات التجريبية إلى كبيرة - γ نوى مثل 1 H 10. القارئ المهتم قد يتم الإشارة إليها أخرى ارتفاع ضغط الرنانة التجارب الدائرة خزان 11-15. Pravica وسيلفيرا 16 تقرير أعلى ضغط المحرز في خلية السندان لNMR مع 12.8 برنامج العمل العالمي، الذي درس تحويل أورثو شبه الهيدروجين.
باهتمام كبير في تطبيق NMRلدراسة خصائص المواد الصلبة الكم، وكانت مجموعتنا المهتمة في وجود NMR متاح في الضغوط العالية، كذلك. وأخيرا، في عام 2009 أنه يمكن إثبات أن ذات حساسية عالية خلية السندان NMR ممكنة فعلا إذا وضعت صدى التردد الراديوي (RF) لفائف صغيرة مباشرة في تجويف الضغط العالي تضم العينة 17. في هذا النهج، تم تحسين حساسية NMR عدة أوامر من حجم (يرجع في معظمه إلى الزيادة الهائلة في ملء عامل من لفائف RF)، الأمر الذي جعل أكثر تحديا تجارب الرنين المغناطيسي النووي ممكنا، على سبيل المثال، 17 يا NMR على عينات من مسحوق موصل جيد للكهرباء درجة حرارة عالية تصل إلى 7 برنامج العمل العالمي 18. الموصلية الفائقة في هذه المواد يمكن تضخيمه بشكل كبير من تطبيق الضغط، وأنه من الممكن الآن لمتابعة هذه العملية مع تحقيق الإلكترونية المحلية أن وعود البصيرة الأساسية في عمليات الحاكم. برز مثال آخر للقوة NMR تحت ضغط عال عما كانت نصدقإد أن تكون التجارب المراجع الروتينية: من أجل اختبار الجديدة NMR خلية السندان قدم، وقد تم قياس واحدة من المواد الأكثر شهرة - معدن الألمنيوم بسيط. كما زاد الضغط، تم العثور على انحراف غير متوقع من التحول NMR من ما هو متوقع لنظام الإلكترون الحر. تكرار التجارب، وأيضا في ظل تزايد الضغوط، وأظهرت أن النتائج الجديدة كانت موثوقة حقا. أخيرا، مع هيكل الحسابات الفرقة تبين بعد ذلك أن النتائج هي مظهر من مظاهر التحول الطوبوغرافية لسطح فيرمي من الألومنيوم، والتي لا يمكن الكشف عنها بواسطة الحسابات قبل سنوات، عندما كانت قوة الحوسبة منخفضة. أظهر استقراء النتائج إلى الظروف المحيطة أن خصائص هذا المعدن الذي يستخدم في كل مكان تقريبا تتأثر هذه الحالة إلكترونية خاصة.
من أجل متابعة عدد من التطبيقات المختلفة تم استيرادها خلايا السندان المصممة خصيصا (خلايا السابقة من Cavendوقد تم تطوير مختبر العش وتحديثه وتعديله لNMR). حاليا، الهيكل المدمج المنزل المستخدمة هي قادرة على الوصول إلى ضغوط تصل إلى 25 جيغا باسكال باستخدام زوج من 800 ميكرون culet سندنات 6H-كربيد. وأجريت التجارب NMR بنجاح يصل إلى 10.1 برنامج العمل العالمي، حتى الآن. وقد تبين أداء NMR هذه الخلايا الجديدة لتكون ممتازة 19. المكون الرئيسي هو التيتانيوم والألومنيوم (6) -Vanadium (4) مع اضافي انخفاض مستوى الخلالي (الصف 23)، وتوفير قوة العائد من حوالي 800 ميجا باسكال 20. نظرا لخصائص غير المغناطيسية التابعة (قابلية χ المغناطيسي حوالي 5 جزء في المليون) هو مادة كافية لهيكل خلية سندان. الأبعاد الكلية للخلايا أدخلت (انظر الشكل 2 لمحة عامة عن جميع التصاميم خلية السندان المدمج المنزل) هي صغيرة بما يكفي لتناسب مغناطيس تتحمل NMR القياسية العادية. أصغر تصميم وLAC-TM1، والتي هي فقط 20 ملم في الطول و 17 مم في القطر، ويناسب أيضا صغيرة، مغناطيس الجوف البارد نموذجية (30 مم تتحمل القطر). وLيستخدم AC-TM2، الذي هو أحدث تصميم هيكل الكتاب، وأربع مسامير ثقب مشطوب M4 ألين (مصنوعة من نفس سبيكة وهيكل الخلية) كآلية ضغط القيادة، مما يسمح لعنصر تحكم سلسة من الضغط الداخلي (المطبوعات المرفقة في الزرقاء القسم التكميلي).
عادة، يتم استخدام سندنات الماس من أجل توليد أعلى من الضغوط فوق 100 برنامج العمل العالمي. وقد أظهرت أن 23 سندنات مويسانيتي توفر بديلا فعالا من حيث التكلفة في البحوث ذات الضغط العالي، تصل إلى ضغوط حوالي 60 جيغا باسكال - شو ماو و21. لذا، استخدمت سندنات مويسانيتي للنهج برنامج العمل العالمي NMR قدم. وتحققت أفضل النتائج مع تخصيص سندنات واسع مخروط 6H-كربيد من قسم سندان تشارلز وColvard. مع هذه الخلايا، لضغوط تصل إلى 10.1 برنامج العمل العالمي، تم العثور على استخدام 800 ميكرون سندنات culet أن يؤدي إلى حساسية الرنين المغناطيسي النووي جيدة جدا. للمقارنة، لي وآخرون. الإبلاغ عن SNR 1 ل1 NM HR من ماء الصنبور، في حين أن SNR النهج فائف الصغيرة أدخلت أظهرت بقيمة 25 ل1/7 من حجمها، حتى في المجال المغناطيسي إلى حد ما أقل.
مع هذا النهج الجديد لذات حساسية عالية خلية السندان NMR يمكن للمرء أن متابعة العديد من التطبيقات التي تعد رؤية جديدة مثيرة في الفيزياء والكيمياء من المواد الحديثة. ومع ذلك، كما هو الحال دائما، والحساسية، والقرار تحد في نهاية المطاف تطبيق NMR، على وجه الخصوص، إذا كان أحد يهتم في الضغوط التي تتطلب أعلى بكثير culet أحجام أصغر. ثم، يتعين على المرء ليس فقط لتحسين تصميم خلية مع لفائف أصغر RF، ولكن أيضا التفكير في طرق لزيادة الاستقطاب النووي.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
1. تركيب ومحاذاة لل6H-كربيد كبير المخروط Boehler من نوع السنادين
2. طوقا إعداد
3. إعداد وتحميل من مايكرو لفائف
4. تطبيق ومراقبة ضغط
5. بإجراء تجارب NMR
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
ويبين الشكل 3 كيف الخلية تماما تجميعها الضغط، والأسلاك، وتصاعد على تحقيق NMR نموذجي تبدو. في ما يلي، وسيتم استعراض العديد من التجارب التي ينبغي تمكين القارئ من جمع لمحة عامة عن فوائد وحدود تقنية قدم.

الرقم 1. مناهج مختلفة لارتفاع ضغط NMR: (A) سبليت فائف الزوج تشمل ا...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
وقد وصفت طريقة جديدة واعدة لأداء NMR في الضغوط جيجا باسكال. يفتح هذا الأسلوب حتى الباب أمام مجموعة واسعة من تجارب الرنين المغناطيسي النووي نظرا لحساسيتها ممتازة والقرار. ومع ذلك، العديد من الخطوات الموضحة في قسم البروتوكول هي الحاسمة لنتائج التجربة. خاصة، وإعداد لفائف الصغيرة وتثبيت لها في النحاس، كن طوقا صعب جدا ويتطلب بعض الخبرة. في ما يلي، يتم إعطاء بعض النصائح الهامة، التي ينبغي أن تساعد على أول تطبيق ناجح لهذه التقنية.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
تم تمويل هذا البحث من قبل المجموعة الدولية للتدريب البحثي (IRTG) "الانتشار في المواد المسامية". نحن نقدر الدعم الفني من Gert Klotzsche وتحفيز المناقشات مع ستيفن رايتشهارت وتوماس مايسنر وداميان ريبيكي وتوبياس هيرزيج وناتاليا جورجيفا وجوناس كولراوتز ومايكل جوركوتات.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| التيتانيوم الصف 23 | robemetall GmbH | ASTM F 136 | |
| رقائق النحاس البريليوم | GoodFellow | CU070501 | Alloy 25 (C17200) |
| الأسلاك النحاسية للفائف الصغيرة | Polyfil | اقتباس عند الاستفسار | |
| Stycast 1266 | Sil-Mid Ldt. | S1266001KG | |
| سندان المويسانتي | تشارلز وأمبير اقتباس كولفارد | عند الاستفسار | |
| زيت البارافين (وسط الضغط) | مسامير Sigma Aldrich | 18512-1L | |
| M4 Allen contersunk (Ti64) | Der Schraubenladen | DIN912 M4x20 | |
| Optiprexx PLS | Almax-easylab | اقتباس عند الاستفسار | |
| روبي (~ 10-50 & micro; م) | DiamondAnvils.com | P00996 | |
| يدوي تبديل الصحافة | DiamondAnvils.com | A87000 | |
| سمك طوقا ميكرومتر | DiamondAnvils.com | A86000 | |
| مشرط التيتانيوم ؛ | نيوماتيك الطبية | NM45200710421 | |
| الكتابة الزجاجية الماس | بلانو | 54467 | |
| تنعيم Awls | Flume | 1 4444 001 | |
| Chuck-jaws (4 فكين) | Flume | 4 561 289 | |
| مخرطة | Flume | 4 560 023 | |
| آلة الحفر | Flume | 4 570 020 | |
| Drill chuck | Flume | 4 570 021 | |
| XY stage | المقايب | 4 570 022 | |
| المثاقب (0.30 إلى 0.50 مم) | Flume | 4 572 652 – 654 | |
| ورنيش درجة حرارة منخفضة | SCBshop | SCBltv03 |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن