Podział metalowo-krzemianowy pod wysokim ciśnieniem i temperaturą: metody eksperymentalne i protokół tłumienia wtrąceń pierwiastków wysoce syderofilnych

Ogólnym celem niniejszej procedury jest określenie podziału elementów silnie sidiophilnych pomiędzy stopami metali i silikonów. Osiąga się to poprzez przygotowanie syntetycznego stopu silikonowego oraz materiału wyjściowego z metalu. Elementy silnie kwasochłonne wprowadza się w postaci kulek powlekanych złotem lub mieszanin centrów platyny, irydu i żelaza, albo poprzez fizyczne oddzielenie wysokotopliwych faz (HSC) od stopów silikonowych, albo poprzez wprowadzenie silnego reduktora.

Można uniknąć tworzenia się grudek metalu, które utrudniają analizę chemiczną. Drugim krokiem jest wypełnienie grafitowej kapsułki z próbką najpierw metalem, a następnie materiałami wyjściowymi krzemianowymi, tak aby znajdowały się one w grawitacyjnie stabilnym układzie. Następnie należy dokończyć montaż komponentów próbki i umieścić je w aparaturze z cylindrem tłokowym lub wielokowadłowej, w zależności od potrzeb.

Ostatnim krokiem jest poddanie próbki ciśnieniu, a następnie ogrzanie jej do pożądanej temperatury; po upływie czasu wystarczającego do osiągnięcia stanu równowagi, próbka jest hartowana poprzez odcięcie zasilania grzałki oporowej. Ostatecznie do pomiaru stężeń pierwiastków śladowych w stopie silikonu wykorzystuje się spektrometrię mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie z ablacją laserową. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z metodami wysokociśnieniowymi, które nie eliminują inkluzji metali, jest uniknięcie niejednoznaczności oraz analiza określonych pierwiastków cphi.

W stopie krzemianowym jako materiał wyjściowy stosuje się skład bałtycki. Ponieważ składy o większym stopniu depolimeryzacji są trudne do schłodzenia do postaci szkła, należy odważyć pożądane ilości proszków tlenków lub węglanów składników, przenieść je do moździerza agatowego i wymieszać w sposób wolny od zanieczyszczeń żelazem. Odważenie około czterech gramów powinno zapewnić wystarczającą ilość materiału wyjściowego do przeprowadzenia szerokiego zestawu eksperymentów.

Dodaj etanol do moździerza agatowego, aż proszki zostaną całkowicie przykryte. Następnie ucieraj mieszaninę przez co najmniej dwie godziny za pomocą tłuczka agatowego, aby ujednolicić zarówno skład, jak i wielkość ziaren. Po dokładnym ujednoliceniu umieść moździerz pod lampą grzewczą o mocy 250 W w odległości około 20 centymetrów.

Po wyschnięciu mieszaniny w proszku, co może zająć od 20 do 60 minut, przenieś ją do tygla Illumina lub Maite w celu dekarbonizacji mieszaniny. Umieść tygiel z mieszaniną w proszku w piecu skrzynkowym w temperaturze pokojowej, a następnie zwiększ temperaturę do 1 273 Kelvin w ciągu od trzech do pięciu godzin. Pozostaw mieszaninę w piecu w temperaturze 1 273 Kelvin przez noc.

Przechowywać otrzymany proszek bazaltowy w eksykatorze do momentu napełnienia kapsułki z próbką. Przygotowanie materiału źródłowego pierwiastków silnie acidofilnych w formie kulek powlekanych złotem lub centrowanych mieszanek platyny, irydu i żelaza opisano w protokole tekstowym. Napełnić grafitową kapsułkę z próbką, najpierw wprowadzając materiał źródłowy pierwiastków silnie ofilnych, a następnie dodając syntetyczny proszek masal, aż kapsułka zostanie wypełniona.

Zastosowanie grawitacyjnie stabilnego układu minimalizuje ryzyko wywrócenia podczas eksperymentu i ma na celu zapobieganie dyspersji fazy metalicznej w wyniku działania mechanicznego. Na dnie otworu przeznaczonego na kapsułę z próbką należy umieścić niewielką ilość suchego proszku tlenku magnezu. Pozwala to na wyrównanie stożkowej powierzchni powstałej podczas wiercenia otworu, co z kolei zmniejsza siły ścinające podczas kompresji próbki, które mogłyby doprowadzić do pęknięcia kapsuły po złożeniu wszystkich wcześniej przygotowanych komponentów. Zgodnie z protokołem tekstowym, wokół całego zestawu należy owinąć kawałek folii ołowianej o grubości 30 mikronów, zaginając niewielką część folii nad odsłoniętym końcem dolnej tulei z węglanu baru.

Wprowadź zespół do węglikowo-wolframowego naczynia ciśnieniowego o średnicy otworu 12,7 millimeter wraz z korkiem podstawowym; ustaw naczynie ciśnieniowe i płytę podstawową pomiędzy tłokami hydraulicznymi. Następnie wykonaj termoparę typu C, wykorzystując czuwaro-aluminiową rurkę z czterema otworami o średnicy zewnętrznej 1,6 millimeter. Rurka aluminiowa powinna być wystarczająco długa, aby około jeden do dwóch millimeter rurki wystawały ponad górną powierzchnię górnej płyty.

Przeciągnij oba składy drutów przez sąsiednie otwory w rurce. Obróć końce o 180 stopni i zabezpiecz je w przeciwległych otworach w taki sposób, aby druty się krzyżowały. Wprowadź termoparę przez górną płytę do wnętrza zestawu, tak aby spoiwo znajdowało się bezpośrednio nad próbką.

Pozostałą część przewodów termopary należy zaizolować za pomocą elastycznych rurek teflonowych, pozostawiając odsłonięty odcinek o długości od 10 do 20 milimetrów na końcu. Należy umieścić wszelkie wymagane metalowe przekładki między płytą górną a tłokiem górnym w pozycji montażowej. Arkusze Mylar należy umieścić bezpośrednio nad naczyniem ciśnieniowym oraz pomiędzy górną częścią zestawu a tłokiem górnym.

Arkusze te elektrycznie izolują obwód grzewczy próbki od reszty aparatury. Wykonaj termoparę typu C, używając czterodziurkowej, utwardzanej rurki Illumina poprzez przećwiczenie obu przewodów przez sąsiednie otwory w rurce, obrócenie końców o 180 stopni i zabezpieczenie ich w przeciwległych otworach. Pozostałą część przewodów zaizoluj krótkim odcinkiem rurki Illumina, a następnie materiałem izolacyjnym z Teflonu, pozostawiając na końcu od 10 do 20 milimetrów odsłoniętego przewodu.

Włóż tuleję z cyrkonii oraz grzałkę grafitową do oktaedru przed wycięciem rowków, zgodnie ze wskazówkami zawartymi w protokole tekstowym. Następnie wprowadź termoparę do górnej części oktaedru i umieść ramiona Illumina w rowkach. Użyj cementu cyrkonowego, aby wypełnić wolną przestrzeń wokół termopary, a następnie pozostaw do wyschnięcia.

Aby odizolować złącze termopary od kapsułki grafitowej, należy wsypać proszek tlenku magnezu do podstawy oktaedru, aż odsłonięte przewody zostaną przykryte. Zazwyczaj wystarcza mniej niż 50 mg proszku, aby otoczyć odsłonięty przewód.

Aby zapewnić szczelne upakowanie proszku, należy użyć tzw. „drill blank” (krążka wiertlarskiego) do ubicia luźnego materiału. Napełnij kapsułkę grafitową wcześniej przygotowaną próbką i umieść ją w oktaedrze od strony otwartej. Włóż korek Illumina, aby dokończyć montaż oktaedra na czterech sześcianach z węglika wolframu.

Użyj octanu poliwinylu, aby przykleić krótkie odcinki drewna balsy na każdej z trzech ścian sąsiadujących z uciętym narożnikiem sześcianu. Na każdej ścianie umieść kawałki drewna balsy w kwadrancie przeciwległym do uciętej krawędzi. Każdy kawałek drewna balsy powinien mieć wymiary około 4.4 mm wysokości i szerokości oraz 9 mm długości.

W przypadku rozmiaru oktaedru pokazanego tutaj, należy złożyć cztery sześciany w kwadrat. W rzucie poziomym widać dwa elementy z szerokością i dwa bez przymocowanych drewnianych części. Ustaw ścięte krawędzie tak, aby były skierowane w stronę środka kwadratu.

Umieść oktaedr w centrum sześcianów w taki sposób, aby był on podparty przez ścięte krawędzie. Następnie ustaw ramiona termopary pod kątem, tak aby wystawały z przeciwnych narożników kwadratu. Umieść pozostałe sześciany z węglika wolframu w pozycjach tworzących sześcian z grzałką Okta w jego centrum, upewniając się, że sześciany z przymocowanymi drewnianymi elementami spoczywają na górnych sześcianach, które nie posiadają drewnianych przekładek.

Następnie do każdej ścianki złożonej kostki przyklej kwadratowe kawałki arkusza G 10 o grubości około 0,5 mm, używając kleju typu Sano ACRL. W przypadku kostek z węglika wolframu o wymiarach 30 mm, należy zastosować arkusze G 10 o wymiarach 55 mm na 55 mm. Dwie z kostek z węglika wolframu posiadają ścięcia, które stykają się z grzałką oporową, tworząc tym samym część obwodu grzewczego dla arkuszy stykających się z tymi kostkami. Wytnij dwa wąskie nacięcia i umieść w nich kawałek folii miedzianej w taki sposób, aby zapewniła ona punkt styku pomiędzy pierwszym a drugim stopniem.

Następnie wycinamy dwa arkusze mylaru o grubości 0.0 76 mm do wymiarów podanych w protokole tekstowym i powlekamy je suchym smarem PTFE. Jeden z dociętych arkuszy umieszczamy w pierścieniu, a następnie wkładamy dolny zestaw kowadeł pierwszego stopnia, które same są podparte mylarem o grubości 0.076 mm i powleczone smarem PTFE. Dolny zestaw kowadeł można pozostawić na miejscu pomiędzy poszczególnymi pomiarami.

Umieść złożony sześcian w dolnym zestawie kowadeł pierwszego stopnia i podłącz ramiona termopary do zrównoważonych przewodów termopary wychodzących z modułu ciśnieniowego. Umieść drugą, dociętą wcześniej folię Mylar w pierścieniu mocującym i włóż górny zestaw kowadeł pierwszego stopnia, który powinien być podłożony folią Mylar i nasmarowany w taki sam sposób jak zestaw dolny. Taka konfiguracja zapewnia nasmarowany styk folii Mylar z folią Mylar pomiędzy kowadłami pierwszego stopnia a pierścieniem mocującym.

Zmniejsza to stratę tarcia tłoka o około 30% w porównaniu z układem z pojedynczą arkuszem Mylar. Po doprowadzeniu próbki do wymaganego ciśnienia, należy ją ogrzewać w tempie 100 K na minutę, aż do osiągnięcia pożądanej temperatury przetrzymania; podczas etapu ogrzewania może być konieczna regulacja oleju w tłoku próbki, aby utrzymać stałe ciśnienie oleju, unikając zanieczyszczenia szkła krzemianowego i niskiej zawartości tlenu. Eksperymenty dotyczące rozpuszczalności pierwiastków silnie kompatybilnych są najłatwiej identyfikowalne poprzez obecność niejednorodności w czasie.

Rozdzielone widma LA-ICP-MS. Heterogeniczność ta objawia się w widmach w postaci pików i spadków, które wynikają z ablacji zmiennych proporcji materiału zawierającego inkluzje w stosunku do samych inkluzji. Przedstawiono szkło wolne od inkluzji.

Poniżej przedstawiono widmo rozdzielone w czasie dla eksperymentu rozpuszczalności platyny, w którym w celu porównania nie zastosowano metod zapobiegających tworzeniu się inkluzji metalicznych. Przedstawiono również typowe widma rozdzielone w czasie dla produktów z serii ATE, zsyntetyzowanych przy użyciu technik opisanych w tym filmie. Kształt tych widm wskazuje na brak rozproszonych inkluzji HSE w części ATE produktów z serii eksperymentalnych.

Obrazowanie widma rutenu sugeruje, że podejście to pozwala również uniknąć powstawania inkluzji metalicznych, które zaobserwowano w poprzednich eksperymentach dotyczących rozpuszczalności rutenu przeprowadzonych w podobnych warunkach redukcyjnych. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś być w stanie przygotować eksperymenty dotyczące rozdziału faz metalicznych dla PIs, cylindrów oraz aparatury wielopętlowej. Dzięki przygotowaniu materiałów wyjściowych zgodnie z opisem można uniknąć rozproszonych inkluzji metalicznych w eksperymentach dla pierwiastków o wysokim współczynniku cphi.