محاكاة لعمليات الكواكب الداخلية التمايز في المختبر

الهدف العام من هذا الإجراء هو محاكاة عملية تمايز الباطن الكوكبي. يتم تحقيق ذلك أولاً من خلال خلط مسحوق سيليكات الزيتون والحديد وكبريتيد الحديد بشكل متجانس. وتتمثل الخطوة الثانية في تحميل الخليط داخل مجموعة خلية ذات ضغط عالٍ.

بعد ذلك، يتم تعريض التجميع لضغط يصل إلى 6 GPa وتسخينه إلى 1,800 °C باستخدام جهاز متعدد السندان. وتتمثل الخطوة النهائية في استعادة العينة وتحضيرها للتصوير ثلاثي الأبعاد. وفي النهاية، تُستخدم الصورة ثلاثية الأبعاد لتصور توزيع السيليكون والمعدن المنصهر وتحديد ما إذا كان المعدن السائل يمكنه التغلغل عبر السيليكون البلوري لتشكيل نواة.

يمكن لهذه الطريقة أن تساعد في الإجابة على أسئلة رئيسية في علوم الكواكب، مثل تكوينات نواة الكواكب من خلال عمليات التغلغل. ابدأ بتجهيز المواد اللازمة لمحاكاة عملية التغلغل. وفيما يخص تكوين النواة، قم بتحضير حوالي جرام واحد من خليط من السيليكات الطبيعية، والزيتون، ومسحوق الحديد المعدني مع 10% من الكبريت بالوزن باستخدام هاون من العقيق.

قم بطحن المادة البادئة تحت الإيثانول للحصول على مسحوق مختلط لمدة ساعة واحدة. وبمجرد الانتهاء من ذلك، جفف المواد عند 100 درجة Celsius لمدة ساعة واحدة، ثم استخرج المادة المجففة، وبعد أن تبرد، ابدأ التحضيرات لتجارب السندان المتعدد. ضع المادة البادئة في كبسولة من أكسيد الألومنيوم CI، بقطر 1.5 millimeters وطول 1.5 millimeters تقريبًا.

بعد ذلك، ضع الكبسولة في تجميعة خلية ذات ضغط عالٍ تحتوي على سخان عينة يعمل بالمقاومة الكهربائية. أصبحت الخلية الآن جاهزة لجهاز الضغط العالي متعدد السندانات. قم بتركيب تجميعة الخلية في الجهاز، ثم ارفع ضغط العينة وصولاً إلى الضغط المستهدف هنا، وهو 6 GPa بناءً على منحنى معايرة الضغط للنقطة الثابتة.

كذلك، استخدم سخان المقاومة الكهربائية لرفع درجة حرارة العينة إلى 1,800 درجة Celsius. درجة الحرارة المستهدفة. وفي هذه التجربة، حافظ على الضغط ودرجة الحرارة لمدة 12 ساعة.

بمجرد اكتمال التجربة، قم بتبريد العينة حتى تصل إلى درجة حرارة الغرفة عن طريق إيقاف تشغيل طاقة السخان، ثم قم بتنفيس الضغط ببطء على مدار ست ساعات عن طريق فتح صمام الزيت الهيدروليكي. وأخيراً، استعد مجموعة الضغط العالي؛ حيث يتم تحليل العينة باستخدام مجهر إلكتروني ماسح ذو حزمة أيونية مركزة. قم بتجهيز العينة للاستخدام في الجهاز عن طريق تثبيتها وصقلها وطلاء سطحها بالكربون.

ثم قم بتحميلها في حجرة العينة الخاصة بالجهاز. قم بمحاذاة العينة عند نقطة التطابق بين حزمة الأيونات المركزة والمجهر الإلكتروني الماسح على مسافة عمل تبلغ 5 mm. قم بعملية الطحن المسبق (Premil) للعينة للكشف عن حجم يبلغ 15 by 20 by 20 cubic micrometers.

بعد ذلك، استمر في استخدام الحزمة الأيونية لطحن طبقات بعمق 25 nanometers. وبعد إزالة كل طبقة، التقط صورة للمساحة المكشوفة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح. وعند اكتمال عملية الطحن، أدخل ملفات بيانات الصور في برنامج تصور، وأنشئ صوراً ثلاثية الأبعاد للتصور. يمثل هذا إعادة البناء ثلاثي الأبعاد عينة تبريد سريع تم تسخينها إلى 1, 800 degrees Celsius عند ستة giga pascals.

يمثل الحجم المظلل صهارة الحديد وكبريتيد الحديد. أما بقية الحجم فتشغلها المادة الدقيقة. يبلغ الحجم حوالي خمسة في ستة في سبعة cubic micrometers.

توضح الصورة أن جيوب المصهور المعدنية قد حُبست عند أركان الحبيبات السيليكاتية بسبب زوايا التفرع (dedal angles) الكبيرة التي قيست بأكثر من 100 درجة كما يظهر هنا. توفر تقنية التصوير الجديدة هذه أداة قوية لتحديد زاوية التفرع الحقيقية بدقة. ومن خلال مراقبة التغير في توزيع المصهور عبر الزاوية الحرجة، يمكن استخدام هذه التقنية لتحديد نقطة الانتقال من الشبكات غير المتصلة إلى الشبكات المتصلة ضمن نطاق ضيق من التركيب والضغط.

توفر هذه الطريقة أيضاً قياساً كمياً للكسر الحجمي والترابط. هذه الصور ثلاثية الأبعاد هي للعينة المبردة بنسب مختلفة من سيليكات المعادن تحت كسر حجمي يبلغ 5%. يشكل المعدن السائل جيوباً معزولة عند الكسور الحجمية الأعلى، ويتم تشكيل شبكة مترابطة بعد تطورها.

تمهد هذه التقنية الطريق للأبحاث في مجال التجارب، وعلوم البترولوجيا، وعلوم الكواكب لاستكشاف عملية تكوين لب الكوكب من خلال المحاكاة التجريبية المقترنة بالتصورات المرئية.