סימולציה של פלנטריים הפנים בידול תהליכים במעבדה

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.