Partizionamento metallo-silicato ad alta pressione e temperatura: metodi sperimentali e un protocollo per sopprimere altamente Siderophile Element Inclusioni

L'obiettivo generale di questa procedura è determinare la ripartizione degli elementi fortemente cphi tra fusi metallici e fusi siliconici. Questo viene ottenuto preparando innanzitutto un fuso siliconico sintetico e un materiale di partenza metallico. Gli elementi fortemente acidofili vengono introdotti sotto forma di perline rivestite d'oro o miscele contenenti platino, iridio e ferro, separando fisicamente gli HSC dai fusi siliconici oppure introducendo un potente agente riducente.

La formazione di leghe metalliche che complicano l'analisi chimica può essere evitata. Il secondo passaggio consiste nel caricare prima una capsula in grafite con il metallo e successivamente con i materiali silicatici di partenza, in modo che siano disposti in una configurazione gravitazionalmente stabile. Successivamente, completare il montaggio dei componenti del campione e caricarli nell'apparato a pistone-cilindro o in quello a incudini multiple, a seconda del caso.

L'ultimo passaggio consiste nel comprimere il campione e successivamente riscaldarlo alla temperatura desiderata; dopo un tempo sufficiente per raggiungere l'equilibrio, il campione viene bruscamente raffreddato interrompendo l'alimentazione del riscaldatore a resistenza. Infine, viene utilizzata la spettrometria di massa con plasma accoppiato induttivamente e ablazione laser per misurare le concentrazioni di elementi in traccia nel vetro di silice. Il principale vantaggio di questa tecnica rispetto ai metodi ad alta pressione che non sopprimono le inclusioni metalliche è che evita ambiguità e permette l'analisi di determinati elementi cphi.

Nel fuso di silicio, viene utilizzata una composizione Baltic come materiale di partenza per il silicone. Poiché composizioni più depolimerizzanti sono difficili da raffreddare rapidamente fino a formare un vetro, pesare le quantità desiderate di polveri di ossido o carbonato e aggiungerle a un mortaio in agata, assicurandosi che la miscela sia priva di ferro. Un peso di circa quattro grammi dovrebbe fornire materiale di partenza sufficiente per un'ampia serie di esperimenti.

Aggiungere etanolo nel mortaio in agata fino a quando le polveri non sono immerse. Quindi macinare per almeno due ore utilizzando un pestello in agata per omogeneizzare sia la composizione che la granulometria della miscela. Una volta completamente omogeneizzata, posizionare il mortaio sotto una lampada riscaldante da 250 watt a una distanza di circa 20 centimetri.

Dopo che la miscela in polvere è asciutta, cosa che può richiedere da 20 a 60 minuti, trasferirla in un crogiolo Illumina o Maite per la decarbonatazione della miscela. Posizionare un crogiolo contenente la miscela in polvere in un forno a muffola a temperatura ambiente e aumentare la temperatura fino a 1.273 Kelvin nell'arco di tre-cinque ore. Lasciare la miscela nel forno a 1.273 Kelvin per tutta la notte.

Conservare la polvere di basalto risultante in un essiccatore fino al momento di caricare la capsula del campione. Consultare il protocollo scritto per la preparazione del materiale sorgente di elementi altamente acidofili sotto forma di perline rivestite d'oro o miscele centrate di platino-iridio e ferro. Caricare la capsula del campione di grafite inserendo innanzitutto il materiale sorgente di elementi altamente ofioliti e poi aggiungendo polvere sintetica di masal fino a riempire completamente la capsula.

L'utilizzo di un'organizzazione gravitazionalmente stabile riduce al minimo il rischio di ribaltamento durante l'esperimento ed è finalizzato a prevenire la dispersione della fase metallica attraverso azioni meccaniche. Posizionare una piccola quantità di polvere di ossido di magnesio anidra alla base della cavità destinata a contenere la capsula del campione. Questo appiattisce la superficie conica creata durante la foratura del foro e, di conseguenza, riduce le forze di taglio durante la compressione del campione, che potrebbero causare la rottura della capsula. Dopo aver assemblato tutti i componenti precedentemente realizzati come mostrato nel protocollo descritto nel testo, avvolgere un pezzo di foglio di piombo dello spessore di 30 micron intorno all'insieme, ripiegando una piccola parte del foglio sull'estremità esposta della guaina inferiore di carbonato di bario.

Inserire l'insieme in un recipiente a pressione in carburo di tungsteno con foro di 12,7 millimetri insieme a un tappo di base, posizionare il recipiente a pressione a ponte e la piastra di base tra i pistoni idraulici. Successivamente, realizzare un termocoppia di tipo C utilizzando un tubo Illumina rigido ceramico a quattro fori con un diametro esterno di 1,6 millimetri. Il tubo Illumina deve essere sufficientemente lungo da permettere che circa uno-due millimetri del tubo sporgano dalla superficie superiore della piastra superiore.

Fare passare entrambe le composizioni del filo attraverso fori adiacenti nel tubo. Ruotare le estremità di 180 gradi e fissarle nei fori opposti in modo che i fili si incrocino. Inserire il termocoppia attraverso la piastra superiore e nell'insieme in modo che il giunto si trovi direttamente sopra il campione.

Isolare il resto dei cavi del termocoppia utilizzando tubi flessibili in teflon, lasciando esposta una porzione di 10-20 millimetri all'estremità. Posizionare eventuali distanziali metallici necessari tra la piastra superiore e il punzone superiore durante il posizionamento dell'insieme. Inserire fogli di mylar direttamente al di sopra del reattore a pressione e tra la parte superiore dell'insieme e il punzone superiore.

Questi fogli isolano elettricamente il circuito di riscaldamento del campione dal resto dell'apparato. Realizzare una termocoppia di tipo C utilizzando un tubo Illumina rigido a quattro fori, facendo passare entrambi i fili attraverso fori adiacenti del tubo, piegando le estremità di 180 gradi e fissandole nei fori opposti. Isolare il resto dei fili con un breve tratto di tubo Illumina e quindi con materiale isolante in Teflon, lasciando libera un'estensione di 10-20 millimetri di filo scoperto all'estremità.

Inserire la guaina in zirconia e il riscaldatore in grafite nell'ottaedro prima di tagliare le scanalature come indicato nel protocollo testuale. Quindi inserire il termocoppia nella parte superiore dell'ottaedro e posizionare i bracci rivestiti Illumina nelle scanalature. Utilizzare cemento in zirconia per riempire lo spazio vuoto intorno al termocoppia e lasciare asciugare.

Al fine di isolare il giunto del termocoppia dalla capsula di grafite, aggiungere polvere di ossido di magnesio alla base dell'ottaedro fino a ricoprire i fili esposti. Di norma, meno di 50 milligrammi di polvere sono sufficienti per circondare il filo esposto.

Per garantire un imballaggio compatto della polvere, utilizzare un mandrino per compattare la polvere sciolta. Caricare una capsula di grafite con il materiale campione precedentemente preparato e inserirla nell'ottaedro dal lato aperto. Inserire il tappo Illumina per completare il montaggio dell'ottaedro su quattro dei cubi di carburo di tungsteno.

Utilizzare acetato di polivinile per incollare brevi pezzi di legno di balsa su ognuna delle tre facce adiacenti all'angolo troncato del cubo. Su ciascuna faccia, posizionare i pezzi di legno di balsa nel quadrante opposto rispetto al bordo troncato. Ogni pezzo di legno di balsa misurerà circa 4,4 millimetri di altezza e larghezza per nove millimetri di lunghezza.

Per la dimensione dell'ottaedro mostrata qui, assemblare quattro dei cubi per formare un quadrato. Nella vista in pianta, posizionare due cubi con la larghezza e due senza pezzi di legno attaccati. Orientare i bordi troncati verso il centro del quadrato.

Posizionare l'ottaedro al centro dei cubi in modo che sia sostenuto dai bordi troncati. Quindi inclinare i bracci della termocoppia in modo che fuoriescano da angoli opposti del quadrato. Posizionare i cubi rimanenti in carburo di tungsteno in modo da formare un cubo con il riscaldatore Okta al suo centro, assicurandosi che i cubi con i pezzi di legno attaccati sostengano i cubi superiori che non hanno distanziatori di legno.

Incollare successivamente piccoli quadrati di lamina G 10 dello spessore di circa 0,5 millimetri su ogni faccia del cubo assemblato utilizzando un adesivo di tipo Sano ACRL per cubi di carburo di tungsteno da 30 millimetri, impiegando lamine G 10 di dimensioni 55 millimetri per 55 millimetri. Due dei cubi di carburo di tungsteno presentano una troncatura che entra in contatto con il riscaldatore a resistenza e che quindi costituisce parte del circuito elettrico di riscaldamento per le lamine a contatto con questi cubi. Praticare due strette fessure e posizionare un pezzo di foglio di rame in modo da creare un punto di contatto tra il primo e il secondo stadio.

Successivamente, utilizzando le incudini, si tagliano due fogli di mylar dello spessore di 0,076 millimetri alle dimensioni indicate nel protocollo testuale e si rivestono con un lubrificante secco al PTFE. Si posiziona uno dei fogli pre-tagliati all'interno dell'anello e si inserisce il set inferiore di incudini di primo stadio, che a loro volta sono supportati da mylar dello spessore di 0,076 millimetri e rivestiti con lubrificante al PTFE. Il set inferiore di incudini può rimanere in posizione tra un'esecuzione e l'altra.

Posizionare il cubo assemblato nel set inferiore di incudini del primo stadio e collegare i bracci della termocoppia ai cavi della termocoppia bilanciati che escono dal modulo di pressione. Posizionare il secondo foglio di Mylar pretagliato nell'anello di ritenzione e inserire il set superiore di incudini del primo stadio, che deve essere rivestito in Mylar e lubrificato nello stesso modo del set inferiore. Questa configurazione produce un contatto lubrificato tra Mylar e Mylar tra le incudini del primo stadio e l'anello di ritenzione.

Questo riduce la perdita di spinta dovuta all'attrito del ram di circa il 30% rispetto a un'organizzazione con un singolo foglio di Mylar. Una volta che il campione ha raggiunto la pressione richiesta, riscaldare a un ritmo di 100 kelvin al minuto fino al raggiungimento della temperatura di mantenimento desiderata durante la fase di riscaldamento; potrebbe essere necessario regolare l'olio nel RAM del campione per mantenere una pressione dell'olio costante, evitando contaminazione del vetro siliceo e bassa affinità per l'ossigeno. Gli esperimenti sulla solubilità di elementi altamente cphi sono identificati più facilmente dalla presenza di eterogeneità nel tempo.

Spettri LA ICP-MS risolti. Questa eterogeneità si manifesta come picchi e avvallamenti negli spettri, risultanti dall'ablazione di proporzioni variabili di inclusioni rispetto al vetro privo di inclusioni.

Di seguito è riportato lo spettro risolto nel tempo relativo a un esperimento sulla solubilità del platino in cui non sono state impiegate metodiche per prevenire la formazione di inclusioni metalliche, mostrato a scopo comparativo. Sono inoltre mostrati gli spettri risolti nel tempo tipici dei prodotti di reazione ATE sintetizzati utilizzando le tecniche illustrate in questo video. L'immaginarietà di questi spettri indica l'assenza di inclusioni di elementi del gruppo del platino (HSE) disperse nella porzione ATE dei prodotti sperimentali.

L'immaginarietà dello spettro del rutenio suggerisce che questo approccio ha anche successo nel prevenire la formazione di inclusioni metalliche osservate in precedenti esperimenti di solubilità del rutenio condotti in condizioni riducenti simili. Dopo aver visto questo video, dovresti essere in grado di preparare esperimenti di ripartizione del metallo per i PIs e per l'apparato cilindrico e multi amble. Preparando i materiali di partenza come descritto, è possibile evitare inclusioni metalliche disperse negli esperimenti sugli elementi altamente cphi.