研究室での惑星インテリア分化過程のシミュレーション

この手順の全体的な目的は、惑星内部の分異プロセスをシミュレートすることです。これは、まずオリビン、ケイ酸塩、鉄粉末、および硫化鉄を均質に混合することによって達成されます。次のステップでは、この混合物を高圧セルアセンブリに充填します。

次に、マルチアンビル装置を用いて、アセンブリを6 GPaまで加圧し、1,800 °Cまで加熱します。最終ステップとして、試料を回収し、3Dイメージングの準備を行います。最終的に、この3D画像を用いてシリコンと溶融金属の分布を可視化し、液体金属が結晶シリコン内を浸透してコアを形成できるかどうかを判定します。

この手法は、パーコレーションによる惑星核の形成など、惑星科学における重要な疑問を解決するのに役立ちます。まず、パーコレーションプロセスのシミュレーションに必要な材料を準備します。核形成については、メノウ乳鉢を用いて、天然のケイ酸塩、オリビン、および重量パーセントで10%の硫黄を含む金属鉄粉末の混合物を約1g作成してください。

エタノール中で、出発物質を混合粉末になるまで1時間研磨します。これが完了したら、物質を100 °Cで1時間乾燥させ、乾燥した物質を回収し、冷却後にマルチアンビル実験の準備を開始します。直径約1.5 mm、長さ1.5 mmの酸化アルミニウム製CIカプセルに出発物質を充填します。

次に、電気抵抗式試料ヒーターを備えた高圧セルアセンブリにカプセルを配置します。これでセルをマルチアンビル高圧装置にセットする準備が整いました。セルアセンブリを装置に取り付け、固定点圧力校正曲線に基づき、ここでの目標圧力である6 GPaまで試料を加圧します。

また、電気抵抗加熱器を用いて、試料を目標温度である 1,800 °C まで加熱します。本実験では、この圧力と温度を 12 時間維持します。

実験完了後、ヒーターの電源を切ってサンプルを室温まで急冷し、作動油バルブを開いて6時間かけてゆっくりと圧力を解放します。最後に高圧アセンブリを回収し、集束イオンビーム走査電子顕微鏡を用いてサンプルの分析を行います。サンプルのマウントおよび研磨を行い、表面にカーボンコーティングを施して、装置で使用できるように準備します。

次に、それを装置のサンプルチャンバーにロードします。動作距離 5 mm で、集束イオンビームと走査電子顕微鏡の一致点にサンプルを合わせます。サンプルをプリミルし、15 × 20 × 20 µm³ の体積を露出させます。

続いてイオンビームを用いて、深さ25 nanometersずつ層をミリングします。各層を除去するごとに、露出した表面の走査電子顕微鏡像を撮影します。ミリング完了後、画像データファイルを可視化ソフトウェアに入力し、可視化のための3D画像を作成します。この3D再構成は、6 giga pascalsで1,800 °Cまで加熱された急冷試料によるものです。

ハイライトされた部分は鉄および硫化鉄メルトを表しています。残りの部分は、粒子によって占められています。体積は約5×6×7 µm³です。

この画像は、ここで確認できる通り、100度以上の大きなデダル角（dedal angle）が測定されたため、金属メルトポケットがケイ酸塩粒子の角にトラップされたことを示しています。この新しいイメージング技術は、真のデダル角を正確に決定するための強力なツールとなります。臨界角におけるメルト分布の変化をモニタリングすることで、狭い組成および圧力範囲内における、非連続ネットワークから連続ネットワークへの転移点を特定することが可能です。

本手法は、体積分率および連結性の定量的な測定も可能にします。これらの3D画像は、体積分率5%未満の異なる金属ケイ酸塩比を持つ急冷試料のものです。体積分率が高くなると、液体金属は孤立したポケットを形成し、さらに発達すると相互接続されたネットワークが形成されます。

この手法は、可視化を組み合わせた実験的シミュレーションを通じて惑星核の形成過程を探求し、実験、petrおよび惑星科学の分野における研究を切り拓くものです。