Name: סימולציה של פלנטריים הפנים בידול תהליכים במעבדה (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-11-15T17:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 4 s
Description: חקור סימולציה של הבדלת פנים פלנטריים באמצעות ניסויים בלחץ וטמפרטורה גבוהים. השיטה משלבת הדמיה תלת-ממדית לניתוח התנהגות חומרים בתנאי קיצון ולהבנת תהליכי היווצרות ליבה פלנטרית.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

עבודה זו נתמכה על ידי נאס&quot;א מענק NNX11AC68G ומכון קרנגי בוושינגטון. אני מודה לצ&#39;י ז&#39;אנג לסיועו באיסוף הנתונים. אני גם מודה ענת שחר ולרי Hillgren לביקורות מועילות של כתב היד הזה.

1. הכן את חומרי המוצא ולשכות לדוגמא <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להכין שני סוגים של חומרי מוצא, (1) תערובת של אוליבין סיליקט הטבעי ואבקת ברזל מתכתית עם 10 WT% גופרית (מתכת / יחסי סיליקט החל 4-30% WT) להדמיית הפעפוע של סגסוגת ברזל נוזלית במטריצת סיליקט מוצקה במהלך היווצרות הגרעין הראשונית של גוף קטן פלנטרית, ו (2) תערובת הומוגנית של ברזל דק מעוגן טהור וברזל גופרי לקביעת התגבשות הגרעין הפנימי פלנטרית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טוחנים את החומרים מתחילים אבקה מעורבת קנס כאמור באתנול במרגמת ברקת לשעה אחת ומיובש ב100 ° C. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען את החומר המוצא לMgO sintered או Al 2 O 3 קפסולה (בדרך כלל 1.5 מ&quot;מ קוטר ו1.5 באורך), ולאחר מכן למקם אותו בהרכבת תא לחץ גבוה לניסויים רב הסדן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען את תערובת Fe-פס לתוך תא מדגם קטן (בדרך כלל 100 בקוטר מיקרומטר ו25 &amp; #181; מ &#39;עובי) שנקדח באטם רניום preindented לניסויי לייזר לחימום בתא יהלומי סדן. כריך תערובת Fe-פס בין שכבות NaCl המשמשים כמבודדים תרמיים. </li></ol> 2. ניסויים בלחץ גבוהים וטמפרטורה גבוהה במנגנון Multi-הסדן <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ההרכבה תא לחץ גבוה רב הסדן מורכב מתמניון MgO כמדיום לחץ, שרוול ZrO 2 כמבודדים התרמי, ורניום גלילי או תנור גרפיט. הקפסולה המדגם מתאימה בתוך התנור. צמד תרמי מסוג C מוכנס לתוך תא המדגם כדי לקבוע את טמפרטורת המדגם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הנח את מכלול לחץ גבוה במכשיר בלחץ גבוה רב סדן לשמירת לחץ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> המנגנון רב הסדן מורכב מעיתונות 1,500 טון הידראולית ומודול לחץ המכיל טבעת תמך עם שישה פלחי דחיפה נשלפים ויצרו חלל מעוקבים במרכז 15. H החלל מעוקבouses שמונה קוביות טונגסטן קרביד עם פינות הקטומות. הקוביות הקטומות, שתתכנסנה בהרכבת תא תמניון, מופרדות זו מזו על ידי אטמים לדחיסה. המנופים הידראוליים מעבירים את הכוח בצורה יעילה על ההרכבה המדגם על ידי שני שלבי תצורת סדן. איור 1 מדגים את הליך הניסוי לניסוי רב הסדן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחצים על המדגם ללחץ יעד בין 2-27-GPA בטמפרטורת חדר מבוסס על עקומת כיול לחץ לתקן נקודת 16, ולאחר מכן לחמם אותו לטמפרטורות הניסיוניות עד 2,300 ° C על ידי חימום התנגדות חשמלי; לשמור על הניסוי בטמפרטורה קבועה למשך תקופת הניסוי, ולכבות את החשמל כדי להרוות את הדגימה לטמפרטורת חדר בסוף הניסוי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשחרר לחץ על ידי פתיחת שסתום שמן ההידראולי ולשחזר את תשלום הניסיוני. </li></ol> 3. ניסויי לייזר לחימום בתא יהלום סדן <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחץ בתא יהלומי סדן נוצר בין שני סדנים באיכות נוי חד גביש יהלום (כ 0.25 קראט כל אחד). אנו משתמשים בתא יהלומי סדן סימטרי לנהוג סדני ההפך מיושרים היטב עם מערכת בוכנה צילינדרים. התא הוא מסוגל לייצר לחצים המתאימים לתנאי הלחץ של הליבה של כדור הארץ 17. טמפרטורה גבוהה מושגת על ידי חימום לייזר בתא יהלומי הסדן. אנו משתמשים במערכת במראש פוטון המקור (APS), המבוסס על טכניקת חימום לייזר דו צדדית ומורכב משני לייזרי סיבים, אופטיקה כדי לחמם את המדגם משני הצדדים, ושתי מערכות spectroradiometric למדידות טמפרטורה בשני הצדדים 18. המערכת נועדה ליצור מקום גדול חימום (25 מיקרומטר קוטר), למזער את המדגם הדרגתיים טמפרטורת שני רדיאלית וaxially בתא סדן יהלום, ולמקסם את יציבות חימום. איור 2 מראה סכמטיים של תצורת הניסוי לניסוי בלייזר לחימום בתא יהלומי סדן עם תמונה של כתם לייזר לחימום. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יישר סדני היהלום עם 300 מיקרומטר culets וpreindent אטם רניום לעובי של 30 מיקרומטר מעובי ראשוני של 250 מיקרומטר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לקדוח חור באטם preindented בקוטר של 120 מיקרומטר במרכז, ולטעון את המדגם בבור. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחצים על המדגם ללחץ יעד בטמפרטורת חדר, ולאחר מכן לחמם את המדגם על ידי הגדלת כוח הלייזר בעת נטילת מדידות טמפרטורה ובמדידות עקיפה X-ray אתרו במתקן סינכרוטרון. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כבה את כוח הלייזר כדי להרוות את המדגם כאשר התכה חלקית הוא זוהה על ידי שינוי בקרינת תרמית ומהתבנית העקיפה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לשחזר המדגם המחומם לאפיון אתרו לשעבר. </li></ol> 4. שחזור מדגם וניתוח <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מוUNT המדגם רב סדן לאחזר בשרף אפוקסי וללטש את פני השטח שלו באמצעות חבילה של חצץ אבקת יהלומים מ150 מיקרומטר 0.25 מיקרומטר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פחמן מעייל את פני השטח של המדגם ולטעון אותו לתוך חדר המדגם של מכשיר Zeiss אוריגה FIB / SEM קורה (איור 3 א) לניתוח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יישר את המדגם לנקודה החופף של FIB ו SEM במרחק עבודה של 5 מ&quot;מ (איור 3), ולאחר מכן premill המדגם לחשוף נפח 15 x 20 x 20 מיקרומטר 3 (איור 3 ג). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קח תמונות SEM בהפרש של 25 ננומטר באמצעות הפרוסה &amp; פונקצית תצוגה על מכשיר Zeiss אוריגה FIB / SEM (באופן אוטומטי להקליט סדרה של תמונות לאחר טחינת יון קורה עם רזולוציית תמונה אופיינית של כ 35 ננומטר). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קלט קבצי נתוני תמונה לתוכנת הדמיה ולשחזר תמונות 3D כדי לחזות את ההתפלגות להמיס וקישוריות במדגם הרווה (איור 3ד). </li></ol>

<ol><li>Wetherill, G. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+the+terrestrial+planets%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Astronomy+and+Astrophysics%22%5BJournal%5D)">Formation of the terrestrial planets.</a> Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 18, 77-113 (1980).</li>
<li>Chambers, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Planetary+accretion+in+the+inner+Solar+System%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">Planetary accretion in the inner Solar System.</a> Earth and Planetary Science Letters. 223, 241-252 (2004).</li>
<li>Greenwood, R. C., Franchi, I. A., Jambon, A., Buchanan, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Widespread+magma+oceans+on+asteroidal+bodies+in+the+early+Solar+System%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Widespread magma oceans on asteroidal bodies in the early Solar System.</a> Nature. 435, 916-918 (2005).</li>
<li>Mann, U., Frost, D. J., Rubie, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+wetting+ability+of+Si-bearing+liquid+Fe-alloys+in+a+solid+silicate+matrix-percolation+during+core+formation+under+reducing+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+the+Earth+and+Planetary+Interiors%22%5BJournal%5D)">The wetting ability of Si-bearing liquid Fe-alloys in a solid silicate matrix-percolation during core formation under reducing conditions.</a> Physics of the Earth and Planetary Interiors. 167 (1-2), 1-7 (2008).</li>
<li>Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., &Langenhorst, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Percolative+core+formation+in+planetesimals%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">Percolative core formation in planetesimals.</a> Earth and Planetary Science Letters. 273, 132-137 (2008).</li>
<li>Walte, N. P., Becker, J. K., Bons, P. D., Rubie, D. C., Frost, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Liquid-distribution+and+attainment+of+textural+equilibrium+in+a+partially-molten+crystalline+system+with+a+high-dihedral-angle+liquid+phase%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">Liquid-distribution and attainment of textural equilibrium in a partially-molten crystalline system with a high-dihedral-angle liquid phase.</a> Earth and Planetary Science Letters. 262, 517-532 (2007).</li>
<li>Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., Langenhorst, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interconnectivity+of+Fe-O-S+liquid+in+polycrystalline+silicate+perovskite+at+lower+mantle+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Earth+and+Planetary+Interiors%22%5BJournal%5D)">Interconnectivity of Fe-O-S liquid in polycrystalline silicate perovskite at lower mantle conditions.</a> Physics of Earth and Planetary Interiors. 161, 170-176 (2007).</li>
<li>Halliday, A. N., Wood, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+did+Earth+accrete%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">How did Earth accrete?</a> Science. 325, 44-45 (2009).</li>
<li>Yoder, C. F., Konopliv, A. S., Yuan, D. N., Standish, E. M., Folkner, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fluid+core+size+of+Mars+from+detection+of+the+solar+tide%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Fluid core size of Mars from detection of the solar tide.</a> Science. 300, 299-303 (2003).</li>
<li>Margot, J. L., Peale, S. J., Jurgens, R. F., Slade, M. A., Holin, I. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large+longitude+libration+of+Mercury+reveals+a+molten+core%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Large longitude libration of Mercury reveals a molten core.</a> Science. 316, 710-714 (2007).</li>
<li>Fei, Y., Bertka, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+interior+of+Mars%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">The interior of Mars.</a> Science. 308, 1120-1121 (2005).</li>
<li>Williams, J. -P., Nimmo, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+evolution+of+the+Martian+core%3A+Implications+for+an+early+dynamo%5BTitle%5D)+AND+%22Geology%22%5BJournal%5D)">Thermal evolution of the Martian core: Implications for an early dynamo.</a> Geology. 32, 97-100 (2004).</li>
<li>Smith, D. E., Zuber, M. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gravity+field+and+internal+structure+of+Mercury+from+MESSENGER%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Gravity field and internal structure of Mercury from MESSENGER.</a> Science. 336, 214-217 (2012).</li>
<li>Weber, R. C., Lin, P. -Y., Garnero, E. J., Williams, Q., Lognonné, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Seismic+detection+of+the+Lunar+core%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Seismic detection of the Lunar core.</a> Science. 331, 309-312 (2011).</li>
<li>Li, J., Fei, Y. Experimental constraints on core composition. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLi%2C+J+%22Geochemistry+of+the+Mantle+and+Core%22">Geochemistry of the Mantle and Core</a>. Carlson, R. W. , 521-546 (2007).</li>
<li>Bertka, C. M., Fei, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mineralogy+of+the+Martian+interior+up+to+core-mantle+boundary+pressures%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Geophysical+Research%22%5BJournal%5D)">Mineralogy of the Martian interior up to core-mantle boundary pressures.</a> Journal of Geophysical Research. 102, 5251-5264 (1997).</li>
<li>Tateno, S., Hirose, K., Ohishi, Y., Tatsumi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+structure+of+iron+in+Earth%27s+inner+core%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">The structure of iron in Earth's inner core.</a> Science. 330, 359-361 (2010).</li>
<li>Prakapenka, V. B., Kubo, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advanced+flat+top+laser+heating+system+for+high+pressure+research+at+GSECARS%3A+application+to+the+melting+behavior+of+germanium%5BTitle%5D)+AND+%22High+Pressure+Research%22%5BJournal%5D)">Advanced flat top laser heating system for high pressure research at GSECARS: application to the melting behavior of germanium.</a> High Pressure Research. 28, 225-235 (2008).</li>
<li>Minarik, W. G., Ryerson, F. J., Watson, E. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Textural+entrapment+of+core-forming+melts%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Textural entrapment of core-forming melts.</a> Science. 272, 530-533 (1996).</li>
<li>Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., Langenhorst, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+oxygen+and+sulphur+on+the+dihedral+angle+between+Fe-O-S+melt+and+silicate+minerals+at+high+pressure%3A+Implications+for+Martian+core+formation%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">The effect of oxygen and sulphur on the dihedral angle between Fe-O-S melt and silicate minerals at high pressure: Implications for Martian core formation.</a> Earth and Planetary Science Letters. 232, 379-392 (2005).</li>
<li>Fei, Y., Bertka, C. M., Finger, L. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-pressure+iron-sulfur+compound%2C+Fe3S2%2C+and+melting+relations+in+the+system+Fe-FeS+at+high+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">High-pressure iron-sulfur compound, Fe3S2, and melting relations in the system Fe-FeS at high pressure.</a> Science. 275, 1621-1623 (1997).</li>
<li>Fei, Y., Li, J., Bertka, C. M., Prewitt, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structure+type+and+bulk+modulus+of+Fe3S%2C+a+new+iron-sulfur+compound%5BTitle%5D)+AND+%22American+Mineralogist%22%5BJournal%5D)">Structure type and bulk modulus of Fe3S, a new iron-sulfur compound.</a> American Mineralogist. 85, 1830-1833 (2000).</li>
<li>Li, J., Fei, Y., Mao, H. K., Hirose, K., Shieh, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sulfur+in+the+Earth%27s+inner+core%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">Sulfur in the Earth's inner core.</a> Earth and Planetary Science Letters. 193, 509-514 (2001).</li>
<li>Chen, B., Li, J., Hauck, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-ideal+liquidus+curve+in+the+Fe-S+system+and+Mercury%27s+snowing+core%5BTitle%5D)+AND+%22Geophysical+Research+Letter%22%5BJournal%5D)">Non-ideal liquidus curve in the Fe-S system and Mercury's snowing core.</a> Geophysical Research Letter. 35, L07201(2008).</li>
<li>Buono, A. S., Walker, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Fe-rich+liquidus+in+the+Fe-FeS+system+from+1+bar+to+10+GPa%5BTitle%5D)+AND+%22GeochimicaCosmochimicaActa%22%5BJournal%5D)">The Fe-rich liquidus in the Fe-FeS system from 1 bar to 10 GPa.</a> GeochimicaCosmochimicaActa. 75, 2072-2087 (2011).</li>
<li>Ito, E., Yamazaki, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pressure+generation+and+investigation+of+the+post-perovskite+transformation+in+MgGeO3by+squeezing+the+Kawai-cell+equipped+with+sintered+diamond+anvils%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">Pressure generation and investigation of the post-perovskite transformation in MgGeO3by squeezing the Kawai-cell equipped with sintered diamond anvils.</a> Earth and Planetary Science Letters. 293 (1-2), 84-89 (2010).</li>
<li>Roberts, J. J., Kinney, J. H., Siebert, J., Ryerson, F. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fe-Ni-S+melt+permeability+in+olivine%3A+implications+for+planetary+core+formation%5BTitle%5D)+AND+%22Geophysical+Research+Letter%22%5BJournal%5D)">Fe-Ni-S melt permeability in olivine: implications for planetary core formation.</a> Geophysical Research Letter. 34, L14306(2007).</li>
<li>Wang, Y., Lesher, C., Fiquet, G., Rivers, M., Nishiyama, N., Siebert, J., Roberts, J., Morard, G., Gaudio, S., Clark, A., Watson, H., Menguy, N., Guyot, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-situ+high+P%2C+T+X-ray+microtomographic+imaging+during+large+deformation%3A+a+newtechnique+for+studying+mechanical+behavior+of+multi-phase+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Geosphere%22%5BJournal%5D)">In-situ high P, T X-ray microtomographic imaging during large deformation: a newtechnique for studying mechanical behavior of multi-phase composites.</a> Geosphere. 7, 40-45 (2011).</li>
<li>Watson, H. C., Roberts, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Connectivity+of+core+forming+melts%3A+Experimental+constraints+from+electrical+conductivity+and+X-ray+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Earth+and+Planetary+Interiors%22%5BJournal%5D)">Connectivity of core forming melts: Experimental constraints from electrical conductivity and X-ray tomography.</a> Physics of Earth and Planetary Interiors. 186, 172-182 (2011).</li>
<li>Fei, Y., Ricolleau, A., Frank, M., Mibe, K., Shen, G., Prakapenka, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+an+internally+consistent+pressure+scale%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Toward an internally consistent pressure scale.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 9182-9186 (2007).</li>
</ol>

אין ניגוד האינטרסים הכריז.

הטכניקות לניסויים רב הסדן מבוססים היטב, שהניבו לחץ וטמפרטורה לתקופה ממושכת של זמן ריצה יציבים והפקה גדולה יחסית נפח דגימה. זהו כלים רבי עוצמה כדי לדמות את התהליכים הפנימיים של כוכבי הלכת, במיוחד עבור ניסויים, כגון חלחול להמיס, שדורשים מסוים נפח דגימה. ההגבלה היא הלחץ להשגה המקסימום, עד ל- GPA 27 עם טונגסטן קרביד סדנים (WC), והגיע לחצים הליבה של מאדים ומרקורי, אבל לחץ נמוך מדי כדי להגיע לליבותיהם של כדור הארץ ונוגה. הלחץ להשגה המקסימום ניתן להרחיב על 100-GPA באמצעות יהלום sintered ...

כוכבי הלכת ארציים כגון כדור הארץ, נוגה, מאדים, מרקורי הם גופים פלנטריים הבדיל הכוללים מעטפת סיליקט וליבה מתכתית. מודל ההיווצרות הכוכבי לכת המודרני מצביע על כך שכוכבי הלכת הארציים נוצרו מהתנגשויות של עוברים פלנטרית ירח למאדים בגודל גדלו מ planetesimals קילומטר בגודל או גדול דרך אינטראקציות כבידה 1-2. Planetesimals סביר היו מובחן כבר פעם אחת סגסוגות הברזל מתכתיות הגיעו טמפרטורת התכה עקב חימום ממקורות כגון התפרקות רדיואקטיבית של איזוטופים קצרים חיים כגון 26 אל ו60 פה, השפעה, ושחרורו של אנרגיה פוטנציאלית 3. זה חשוב להבין כיצד המתכת נוזלית חלחלה דרך מטריצת סיליקט במהלך ההתמיינות המוקדמת. בידול Planet יכול להמשיך דרך הפרדת נוזל נוזל יעילה או על ידי הפעפוע של מתכת נוזלית במטריצת סיליקט מוצקה, בהתאםבגודל ובטמפרטורה פנימית של הגופים פלנטריים. הפעפוע של מתכת נוזלית במטריצת סיליקט המוצק עשוי תהליך דומיננטי בהתמיינות הראשונית כאשר הטמפרטורה אינה גבוהה מספיק כדי להמס את הגוף הפלנטרית כולה. היעילות של הפעפוע תלוי בזווית dihedral, נקבעה על ידי אנרגיות interfacial של הממשקים מוצקים מוצקים ומוצק לנוזל. אנחנו יכולים לדמות את התהליך הזה במעבדה על ידי ביצוע ניסויים בלחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה על תערובת של סגסוגת הברזל וסיליקט. מחקרים שנעשה לאחרונה 4-7 חקרו את יכולת ההרטבה של סגסוגות ברזל נוזלית במטריצת סיליקט מוצקה בלחץ וטמפרטורה גבוהים. הם השתמשו בשיטה קונבנציונלית למדידת הפצות שכיחות היחסית של זוויות dihedral לכאורה בין המתכת נוזלי הרווה והדגנים סיליקט בחתכים המלוטשים לקביעת זווית dihedral האמיתית. השיטה המקובלת מניבה UNC הגדול יחסיתertainties בזווית dihedral נמדדה והטיות אפשריות בהתאם לנתונים סטטיסטי הדגימה. כאן אנו מציגים טכניקת דימות חדשה כדי להמחיש את ההפצה של מתכת נוזלית במטריצת סיליקט בשלושה ממדים (3D) על ידי שילוב של טחינת FIB והדמיה SEM פליטת שדה ברזולוציה גבוהה. טכניקת דימות החדשה מספקת קביעה מדויקת של זווית dihedral ומדד כמותי של עוצמת השבר והקישוריות של השלב הנוזלי. הליבה של כדור הארץ נוצרה בזמן קצר יחסית (&lt;100 מ&#39;שנים) 8, ככל הנראה במצב נוזלי בהיסטוריה המוקדמת שלה. מאדים ומרקורי יש גם ליבות נוזלי המבוססות על עיוות גאות שמש מנתוני מארס גלובל מודד מעקב רדיו 9 ודפוסי רבב רדאר קשורים לסיבוב כוכבי הלכת 10, בהתאמה. מודלים אבולוציה תרמית וניסויים התכה בלחץ גבוה על חומרי ליבה תומכים ליבה של מאדים נוזלי נוספים11-12. נתוני חללית Messenger אחרונים מספקים ראיות נוספות לליבה נוזלית של 13 מרקורי. סביר להניח שיש לו אפילו את הירח הקטן ליבה נוזלית קטנה המבוססת על ניתוח מחודש האחרון של seismograms הירחי Appollo 14. ליבות פלנטריות נוזליים עולות בקנה אחד עם אנרגיה גבוהה הצטברות בשלב המוקדם של היווצרות כוכבית לכת. הקירור הבא עשוי להוביל להיווצרות של ליבה פנימית מוצקה לכמה כוכבי לכת. נתונים סייסמיים גילו כי כדור הארץ מורכבת מליבה חיצונית נוזלית וליבה פנימית מוצקה. יש היווצרות של הגרעין הפנימי יש השלכות חשובות על הדינמיקה של הליבה מונעת על ידי convections תרמית וההלחנה והדור של השדה המגנטי של כדור הארץ. ההתמצקות של הליבה הפנימית נשלטת על ידי את טמפרטורת ההתכה של חומרי ליבה ואת האבולוציה התרמית של הליבה. היווצרות ליבה של כוכבי הלכת ארציים משותפת נתיבי הצטברות דומים, וההרכב הכימי של הליבות נחשב לbדואר נשלט על ידי ברזל עם כ -10 אלמנטי% קלים משקל כגון גופרית (S), סיליקון (Si), חמצן (O), פחמן (C), ומימן (H) 15. זה חיוני להיות בעל ידע של יחסי ההיתוך במערכות רלוונטיות לליבה, כמו Fe-Fes, Fe-C, Fe-פיאו, Fe-סא, ולחץ גבוה Fe-FeSiat, על מנת להבין את ההרכב של הליבות פלנטרית. במחקר זה, נדגים ניסויים שנערכו במכשיר רב סדן ותא יהלומי סדן, מחקה את התנאים של הליבות פלנטרית. הניסויים מספקים מידע על רצף ההתגבשות ומחיצות אלמנט בין מוצק לנוזל מתכת, מה שמוביל להבנה טובה יותר לדרישות של התגבשות הגרעין הפנימית וההפצה של אלמנטי אור בין הגרעין הפנימי גבישים והליבה נוזלית החוצה. כדי להאריך את יחסי היתוך ללחצים גבוהים מאוד, פיתחנו טכניקות חדשות לנתח דגימות הרווה התאוששו מיהלומי לייזר מחומםניסויי תא nvil. עם טחינת FIB הדיוק של לייזר במקום חימום, אנו קובעים נמסו תוך שימוש בקריטריוני מרקם מרווה צילמו עם רזולוציה גבוהה SEM ואנליזה כימי כמותית עם גלאי להיסחף סיליקון ברזולוציה מרחבית submicron. כאן אנו מתארים שני סטים של ניסויים לחקות היווצרות ליבת כוכבי הלכת על ידי הפעפוע של מתכת נמסו במטריצת סיליקט בהצטברות מוקדמת והתגבשות גרעין פנימית על ידי קירור לאחר מכן. הסימולציה נועדה כדי להבין את שני תהליכים חשובים באבולוציה של ליבת כוכבי הלכת.

<table><tbody><tr><td>מנגנון רב סדן</td><td>מעבדה גיאופיזית בונה</td><td></td><td> </td>בית</tr> <tr><td>תא יהלום-סדן</td><td>מעבדה גיאופיזית בונה</td><td></td><td> </td>בית</tr> מערכת <tr><td>חימום לייזר</td><td>APS GSECARS</td><td>תוכנן על ידי צוות קו האלומה</td><td> הציבורי</td></tr><tr><td>FIB/SEM Crossbeam</td><td>Carl Zeiss Ltd.</td><td>תוכנת תלת מימד Auriga</td><td> </td></tr><tr><td>Avizo</td><td>VSG</td><td>Fire למדעי</td><td> </td>החומרים</tr></tbody></table>

סימולציה של פלנטריים הפנים בידול תהליכים במעבדה

Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

פנים כוכבי הלכת הוא בתנאי לחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה ויש לו מבנה שכבתי. ישנם שני תהליכים חשובים שהובילו שלמבנה מרובד, (1) הפעפוע של מתכת נוזלית במטריצת סיליקט מוצקה על ידי בידול כדור הארץ, ו (2) התגבשות גרעין פנימית של כדור הארץ שלאחר מכן קירור. אנו עורכים ניסויים בלחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה כדי לדמות שני התהליכים במעבדה. כינונה של ליבת כוכבי הלכת percolative תלוי ביעילות של הפעפוע להמיס, הנשלט על ידי זווית dihedral (הרטבה). הסימולציה החלחול כוללת חימום המדגם בלחץ גבוה לטמפרטורת יעד שבו סגסוגת ברזל גופרית היא מותכת ואילו סיליקט נותר מוצק, ולאחר מכן לקבוע את זווית dihedral הנכון כדי להעריך את הסגנון של הגירת נוזל במטריצת גבישים על ידי 3D להדמיה. 3D טיוח הנפח מושגת על ידי חיתוך המדגם התאושש עם אלומת יונים ממוקדת (FIB) ות&quot;אתמונת המלך SEM של כל פרוסה עם מכשיר קורה FIB / SEM. הסט השני של ניסויים נועד להבין את חלוקת התגבשות ואלמנט הפנימית ליבה בין הליבה החיצונית נוזלית והליבה פנימית מוצקה על ידי קביעת טמפרטורת ההתכה ומחיצות אלמנט בלחץ גבוה. ניסויי ההיתוך מתבצעים במנגנון רב הסדן עד 27 GPA והוארכו ללחץ גבוה יותר בתא יהלומי סדן עם לייזר לחימום. פיתחנו טכניקות להתאושש דגימות מחוממות קטנות על ידי כרסום FIB הדיוק ולהשיג תמונות ברזולוציה גבוהה של לייזר במקום מחומם המציגים מרקם התכה בלחץ גבוה. על ידי ניתוח ההרכב הכימי של נוזל coexisting ושלבים מוצקים, אנחנו בדיוק לקבוע את עקומת liquidus, מתן הנתונים הדרושים כדי להבין את תהליך התגבשות הגרעין הפנימי.

יש לנו ערכתי סדרה של ניסויים באמצעות תערובות של אוליבין סן קרלוס וסגסוגת מתכת Fe-פס עם יחס המתכת סיליקט שונה, כמו חומרי המוצא. תוכן S של המתכת הוא 10% במשקל ס כאן אנו מראים כמה תוצאות נציג מניסויים בלחץ גבוה שבוצעו ב-GPA 6 ו1,800 ° C, תוך שימוש במכלולים רב סדן מכויל היטב 15. תחת תנאי הניסוי, סגסוגת מתכת Fe-Fes היא מותכת לחלוטין וסיליקט (אוליבין סן קרלוס) נותר גבישים. מטרת הניסוי היא לבחון כיצד מתכת נוזלית הייתי לחלחל דרך סיליקט גבישים. היעילות של ההסרה של סגסוגות מתכת נ...

הניסויים בלחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה שתוארו כאן לחקות תהליכי התמיינות פנים כדור הארץ. התהליכים הם דמיינו ולהבין טובים יותר על ידי ההדמיה 3D ברזולוציה גבוהה ואנליזה כימית כמותית.

A planetary interior is under high-pressure and high-temperature conditions and it has a layered structure. There are two important processes that led to ...

המטרה הכללית של הליך זה היא לדמות את תהליך הדיפרנציאציה של פנים כוכב הלכת. הדבר מושג תחילה על ידי ערבוב הומוגני של אבקת סיליקט של זית, ברזל וברזית (iron sulfide). השלב השני הוא טעינת התערובת לתוך מכל תא בלחץ גבוה.בשלב הבא, המכלול מועמד תחת לחץ של 6 GPa ומחומם ל-1,800 °C באמצעות התקן רב-סדנים (multi anvil device). השלב האחרון הוא השבת הדגימה והכנתה לדימות בתלת-ממד. לבסוף, נעשה שימוש בתמונת התלת-ממד כדי להמחיש את התפלגות הסיליקון והמתכת הנמסה, ולקבוע אם המתכת הנוזלית יכולה לחלחל דרך הסיליקון הגבישי כדי ליצור ליבה.שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח במדעי כוכבי הלכת, כגון תהליכי היווצרות של ליבות כוכבי לכת באמצעות חלחול (percolation). התחילו בהכנת החומרים לסימולציה של תהליך החלחול. להיווצרות הליבה, הכינו במכתש עגט כגרם אחד של תערובת של סיליקט טבעי, אוליבין ואבקת ברזל מתכתי עם 10% משקל של גופרית.בטחינה עם אתנול, טחני את חומר המוצא עד לקבלת אבקה מעורבבת למשך שעה אחת. עם סיום הפעולה, ייבשי את החומרים בטמפרטורה של 100 °C למשך שעה אחת, הוציאי את החומר המיובש, ולאחר שהתקרר, התחילי בהכנות לניסויי ה-multi anvil. העמיסי את חומר המוצא לתוך קפסולת אלומינה של CI, בקוטר של כ-1.5 millimeters ובאורך של 1.5 millimeters.בשלב הבא, מקמו את הקפסולה במכלול תא בלחץ גבוה הכולל מחמם דגימה בהתנגדות חשמלית. התא מוכן כעת למכשיר הלחץ הגבוה רב-סדנים. התקינו את מכלול התא במכשיר, והגבירו את הלחץ של הדגימה עד ללחץ היעד, 6 GPa, בהתבסס על עקומת כיול לחץ של נקודה קבועה.בנוסף, השתמש במחמם התנגדות חשמלי כדי להביא את הדגימה ל-1,800 °C, שהיא טמפרטורת היעד. עבור ניסוי זה, שמור על הלחץ והטמפרטורה למשך 12 שעות.עם סיום הניסוי, קררו את הדגימה לטמפרטורת החדר על ידי כיבוי חימום הכור, ושחררו את הלחץ באיטיות במשך שש שעות באמצעות פתיחת שסתום השמן ההידראולי. לבסוף, הוציאו את מכלול הלחץ הגבוה; לניתוח הדגימה השתמשו במיקרוסקופ אלקטרונים סורק עם אלומת יונים ממוקדת (focused ion beam scanning electron microscope). הכינו את הדגימה לשימוש במכשיר על ידי קיבוע וליטוש שלה, וציפוי פני השטח שלה בפחמן.לאחר מכן, טענו אותו לתא הדגימות של המכשיר. יישרו את הדגימה לנקודת המפגש של קרן היונים הממוקדת (FIB) ושל מיקרוסקופ האלקטרונים הסורק (SEM) במרחק עבודה של 5 mm. בצעו Premil לדגימה כדי לחשוף נפח של 15 על 20 על 20 µm³.לאחר מכן, המשיכו להשתמש בקרן היונים כדי לשחון שכבות בעומק של 25 nanometers. לאחר הסרת כל שכבה, צלמו תמונת מיקרוסקופ אלקטרוני סורק (SEM) של הפני השטח שנחשפו. עם סיום השחיקה, הזינו את קובצי נתוני התמונה לתוכנת ויזואליזציה, וצרו תמונות תלת-ממדיות לצורך הדמיה. שחזור תלת-ממדי זה הוא עבור דגימה שעברה הקשחה (quench) לאחר חימום ל-1,800 °C בלחץ של 6 GPa.הנפח המודגש מייצג נמס של ברזל וברזל סולפיד. שאר הנפח תפוס על ידי גרגירים. הנפח הוא בקירוב חמש על שש על שבע מיקרומטרים מעוקב.התמונה מראה כי כיסי הנמס המתכתי נלכדו בפינות הגרגירי הסיליקט בשל זוויות דדאל (dedal angles) גדולות שנמדדו כמעל 100 מעלות, כפי שנראה כאן. טכניקת ההדמיה החדשה הזו מספקת כלי רב עוצמה לקביעה מדויקת של זווית הדדאל האמיתית. באמצעות ניטור השינוי בחלוקת הנמס על פני הזווית הקריטית, ניתן להשתמש בה כדי להצביע במדויק על המעבר מרשתות לא-מחוברות לרשתות מחוברות בטווח קטן של הרכב ולחץ.השיטה מספקת גם מדד כמותי של חלק הנפח והקישוריות. תמונות תלת-ממדיות אלו הן של הדגימה המקולטפת עם יחסי מתכת-סיליקט שונים מתחת לחלק נפח של 5%. המתכת הנוזלית יוצרת כיסים מבודדים בחלקי נפח גבוהים יותר, ורשת מקושרת נוצרת לאחר התפתחותה.טכניקה זו סוללת את הדרך למחקר בתחומי הניסוי, ה-petr ומדעי כוכבי הלכת, במטרה לחקור את תהליך היווצרות ליבת כוכבי הלכת באמצעות סימולציה ניסיונית בשילוב עם ויזואליזציות.

simulation-planetary-interior-differentiation-processes

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

אנו מציגים טכניקה כדי להשיג מהירות נמוכה לבינונית מהירות התנגשויות בין אגרגטים אבק שבירים במעבדה. לצורך כך, שני setups ירידת מגדל הוואקום פותחו המאפשרים מהירויות התנגשות בין &lt;0.01 ו~ 10 מ '/ שנייה. אירועי ההתנגשות שנרשמו על ידי הדמיה במהירות גבוהה.

מעבדה בגלילה מגדלים לסימולציה הניסויית של התנגשויות אבק-המצרפי במערכת השמש המוקדמת

אנו מציגים נוהל לקביעת חלוקת המתכת-סיליקט של יסודות סידרופיליים, תוך שימת דגש על טכניקות המדכאות את היווצרותם של תכלילי מתכת בניסויים עבור המתכות האצילות. תוצאות הניסויים הללו משמשות כדי להדגים את ההשפעה של היווצרות הליבה על הרכב היסודות הסידרופילי מאוד של המעטפת.

מחיצות מתכת סיליקט בלחץ גבוה וטמפרטורה: שיטות ניסיוניות ופרוטוקול לדיכוי מאוד תכלילים אלמנט Siderophile

אנו מתארים היווצרות גנים כימיים באמצעות ניסויי הזרקה המאפשרים סימולציות מעבדה של מערכות גן כימיות טבעיות הנוצרות בנביעות הידרותרמיות תת-ימיות.

כימית גנים כזרימה דרך מערכות הידרותרמיות טבעיות כורי מדמה

אנחנו מדומים מערכת גאות הימית ferruginous Precambrian בטור זרימה דרך אנכי בקנה מידה במעבדה. המטרה היתה להבין כיצד פרופילים גיאוכימיים של O 2 ו- Fe (II) להתפתח כפי כחוליות תוצרת O 2. התוצאות מראות על הקמת chemocline בשל Fe (II) חמצון ידי מיוצר photosynthetically O 2.

סימולצית מעבדה של הברזל (II) -rich Precambrian ימי גאות מערכת לחקור את הצמיחה של חיידקים פוטוסינתטיים

הארץ-שפע מינרלים לשחק תפקידים חשובים הידרותרמי המערכות הטבעיות. כאן, אנו מתארים שיטה אמינה וחסכונית עבור חקירה ניסויית של האינטראקציות אורגניות-מינרליים בתנאים הידרותרמי.

טיפול נסיוני לומד השפעות המינרלים על העתקות הידרותרמי אורגני

הסעת חום המתפשט (DC) מתרחשת באופן נרחב התהליכים הטבעיים ויישומים הנדסה, המאופיינת על ידי סדרה של גרמי מדרגות עם שכבות convecting הומוגנית וממשקים מרובדת. ניתוח ניסיוני מתואר כדי לדמות את התהליך. ההתפתחות של מבנה גרם המדרגות DC, כולל דור, פיתוח, העלמות, בתוך מיכל מלבני.

האבולוציה של מבנים גרם מדרגות הסעת חום המתפשט

ניתוח המבנה, הקומפוזיציה והריווח של הלופיליות יכולים לספק מידע חיוני כדי להבין תהליכים גיאולוגיים הקשורים לוולקאיזם והתמרה. אנו מציגים יישום הרומן של APT לאפיון של לאמפיליות כאלה ולהשוות גישה זו לשימוש קונבנציונאלי של אלקטרון מיקרוסקופ ו ננוטומוגרפיה מבוססת פרפור.

האטום בדיקה טומוגרפיה ניתוח של מינרלים Exsolved שלבים

נמס ונוזלים הם וקטורים בכל מקום של הובלת המונים במערכות טבעיות. פיתחנו חבילת קוד פתוח לניתוח סימולציות מולקולריות-דינמיות של AB initio של מערכות כאלה. אנו מחשבים תכונות מבניות (מליטה, קיבוץ, דגימה כימית), תחבורה (דיפוזיה, צמיגות) ומאפיינים תרמודינמיים (ספקטרום רטט).

ניתוח המסות ונוזלים מסימולציות דינמיקה מולקולרית Ab Initio עם חבילת UMD

מטרת פרוטוקול זה היא ליצור ארובות הידרותרמיות מדומות באמצעות ניסויים בהזרקת גינה כימית ולהציג שיפוע תרמי על פני קרום המשקעים הלא אורגני, באמצעות מדחוס 3D להדפסה שניתן לשחזר למטרות חינוכיות.

סימולציה של ארובות הידרותרמיות מוקדמות בכדור הארץ בסביבה שיפועית תרמית

ניסויי התחממות קרקע במעבדה משתמשים בדרך כלל בשתי טמפרטורות קבועות או יותר במספר תאים. על ידי הצגת תא סביבתי מתוחכם, אנו מספקים שיטת בקרת טמפרטורה מדויקת כדי לחקות את הגודל והמשרעת של טמפרטורת הקרקע באתרה ולשפר את התכנון הניסויי של מחקרי דגירה בקרקע.

הדמיית טמפרטורה בניסוי דגירה בקרקע

חקור סימולציה של הבדלת פנים פלנטריים באמצעות ניסויים בלחץ וטמפרטורה גבוהים. השיטה משלבת הדמיה תלת-ממדית לניתוח התנהגות חומרים בתנאי קיצון ולהבנת תהליכי היווצרות ליבה פלנטרית.

סימולציה של פלנטריים הפנים בידול תהליכים במעבדה

גלה סרטונים נוספים