Symulacja procesów różnicowania wnętrza planety w laboratorium

Ogólnym celem niniejszej procedury jest symulacja procesu różnicowania wnętrza planetarnego. Osiąga się to poprzez homogeniczne wymieszanie proszku krzemianu oliwinu i siarczku żelaza. Drugim krokiem jest umieszczenie mieszaniny w układzie komory wysokociśnieniowej.

Następnie zespół poddaje się ciśnieniu 6 GPa i podgrzewa do 1 800 °C w urządzeniu wielokowadłowym. Ostatnim krokiem jest odzyskanie próbki i przygotowanie jej do obrazowania 3D. Ostatecznie obraz 3D służy do wizualizacji rozkładu krzemu i stopionego metalu oraz ustalenia, czy ciekły metal może przenikać przez krystaliczny krzem, aby utworzyć jądro.

Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu nauk planetarnych, takie jak powstawanie jąder planet poprzez procesy perkolacji. Należy rozpocząć od przygotowania materiałów do symulacji procesu perkolacji. W celu symulacji powstawania jądra, w moździerzu agatowym przygotuj około jednego grama mieszaniny naturalnego krzemianu oliwinu i proszku żelaza metalicznego z zawartością 10% wagowych siarki.

W obecności etanolu mielić materiał wyjściowy do uzyskania jednorodnego proszku przez jedną godzinę. Po tym czasie suszyć materiały w temperaturze 100 °C przez jedną godzinę, a następnie wyjąć wysuszony materiał. Po jego ostygnięciu rozpocząć przygotowania do eksperymentów z użyciem wielokowadłowej prasy. Załadować materiał wyjściowy do kapsułki z tlenku glinu CI o średnicy około 1,5 mm i długości 1,5 mm.

Następnie umieść kapsułę w zestawie komory wysokociśnieniowej wyposażonej w grzałkę próbki oporową. Komora jest teraz gotowa do umieszczenia w aparaturze wysokociśnieniowej z wielokowadłowymi prasa. Zamontuj zestaw komory w aparaturze i zwiększ ciśnienie próbki do wartości docelowej, w tym przypadku 6 GPa, w oparciu o krzywą kalibracyjną punktu stałego.

Następnie należy użyć elektrycznego grzejnika oporowego, aby rozgrzać próbkę do 1 800 °C, która jest temperaturą docelową. W tym doświadczeniu ciśnienie i temperaturę należy utrzymywać przez 12 godzin.

Po zakończeniu eksperymentu schłodzić próbkę do temperatury pokojowej poprzez wyłączenie zasilania grzejnika, a następnie powoli, w ciągu sześciu godzin, zwolnić ciśnienie, otwierając zawór oleju hydraulicznego. Na koniec wyjąć zespół wysokociśnieniowy i przeprowadzić analizę próbki z wykorzystaniem skaningowego mikroskopu elektronowego z wiązką jonową (FIB-SEM). Przygotować próbkę do analizy w urządzeniu poprzez jej zamocowanie, wypolerowanie oraz pokrycie powierzchni warstwą węgla.

Następnie umieść próbkę w komorze pomiarowej urządzenia. Ustaw próbkę w punkcie zbieżności wiązki jonowej i skaningowego mikroskopu elektronowego przy odległości roboczej 5 mm. Przeprowadź wstępną obróbkę (pre-milling) próbki, aby odsłonić obszar o objętości 15 × 20 × 20 µm³.

Następnie kontynuuj trawienie warstw o głębokości 25 nanometrów za pomocą wiązki jonowej. Po usunięciu każdej warstwy wykonaj obraz powierzchni w skaningowym mikroskopie elektronowym. Po zakończeniu trawienia wprowadź pliki z danymi obrazowymi do oprogramowania do wizualizacji i utwórz obrazy 3D w celu analizy. Ta rekonstrukcja 3D przedstawia próbkę hartowaną, która została podgrzana do 1 800 °C przy ciśnieniu 6 GPa.

Zaznaczona objętość reprezentuje stop żelaza i siarczku żelaza. Pozostałą część objętości zajmują inkluzje. Objętość wynosi w przybliżeniu pięć na sześć na siedem mikrometrów sześciennych.

Obraz pokazuje, że kieszenie stopu metalicznego zostały uwięzione w narożach ziaren krzemianów ze względu na duże kąty dedalne, których wartość, jak tu widać, przekracza 100 stopni. Ta nowa technika obrazowania stanowi potężne narzędzie do precyzyjnego określenia rzeczywistego kąta dedalnego. Poprzez monitorowanie zmian w rozkładzie stopu w funkcji kąta krytycznego, można ją wykorzystać do dokładnego wskazania przejścia z sieci niepołączonych do połączonych w wąskim przedziale składu i ciśnienia.

Metoda ta zapewnia również ilościowy pomiar ułamka objętościowego oraz spójności. Przedstawione obrazy 3D pochodzą z próbki hartowanej o różnych stosunkach metalu do krzemianu przy ułamku objętościowym poniżej 5%. Przy wyższych ułamkach objętościowych ciekły metal tworzy izolowane kieszenie, a po ich dalszym rozwoju powstaje sieć powiązań.

Technika ta otwiera drogę do badań w dziedzinie eksperymentów, petrologii i nauk planetarnych, umożliwiając badanie procesu formowania się jądra planet poprzez symulacje eksperymentalne w połączeniu z wizualizacjami.