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Un DAC (celda de yunque de diamante) es un dispositivo de alta presión utilizado en experimentos de geología, ingeniería y ciencia de materiales. Permite la compresión de una pequeña pieza de material (de tamaño submilimétrico) a presiones extremas, típicamente hasta alrededor de 100-200 gigapascales, aunque es posible alcanzar presiones de hasta 770 gigapascales (7,700,000 bares o 7.7 millones de atmósferas).
El dispositivo se ha utilizado para recrear la presión que existe en el interior de los planetas con el fin de sintetizar materiales y fases no observados en condiciones ambientales normales. Ejemplos destacados incluyen el hielo X no molecular, nitrógeno polimérico y fases metálicas de xenón, lonsdaleíta y potencialmente hidrógeno metálico.
Que es un DAC
Un DAC consta de dos diamantes opuestos con una muestra comprimida entre las culetas pulidas (puntas). La presión puede monitorizarse utilizando un material de referencia cuyo comportamiento bajo presión sea conocido. Los estándares comunes de presión incluyen la fluorescencia de rubí y varios metales estructuralmente simples, como cobre o platino.
La presión uniaxial suministrada por el DAC puede transformarse en presión hidrostática uniforme mediante un medio transmisor de presión, como argón, xenón, hidrógeno, helio, aceite de parafina o una mezcla de metanol y etanol. El medio transmisor de presión está encapsulado por una junta y los dos yunques de diamante.
La muestra puede ser observada a través de los diamantes e iluminada con rayos X y luz visible. De esta manera, se pueden medir señales de difracción y fluorescencia de rayos X; absorción óptica y fotoluminiscencia; dispersión de Mössbauer, Raman y Brillouin; aniquilación de positrones y otras señales de materiales bajo alta presión.
Se pueden aplicar campos magnéticos y de microondas externamente a la celda, lo que permite medidas magnéticas como resonancia magnética nuclear, resonancia paramagnética electrónica y otros. Al sujetar electrodos a la muestra, se pueden realizar mediciones eléctricas y magnetoelectricas, así como calentar la muestra a unos pocos mil grados. Se pueden alcanzar temperaturas mucho más altas (hasta 7000 K) mediante calentamiento inducido por láser, y se ha demostrado el enfriamiento hasta milikelvins.
Historia
El estudio de materiales en condiciones extremas, con alta presión y temperatura, utiliza una amplia variedad de técnicas para alcanzar estas condiciones y analizar el comportamiento de los materiales en entornos extremos.
Percy Williams Bridgman, el gran pionero de la investigación a alta presión durante la primera mitad del siglo XX, revolucionó el campo de las altas presiones con su desarrollo de un dispositivo de yunque opuesto con áreas planas pequeñas que se presionaban una contra la otra con un brazo de palanca. Los yunques estaban hechos de carburo de tungsteno (WC). Este dispositivo podía alcanzar presiones de unos pocos gigapascales y se utilizaba en mediciones de resistencia eléctrica y compresibilidad.
Primeros DAC
La primera celda de yunque de diamante se creó en 1957-1958. Los principios de la celda de yunque de diamante son similares a los de los yunques de Bridgman, pero para lograr las presiones más altas posibles sin romper los yunques, se fabricaron con el material más duro conocido: un diamante de cristal único. Los primeros prototipos estaban limitados en su rango de presión y no existía una forma confiable de calibrar la presión.
La celda de yunque de diamante se convirtió en el dispositivo generador de presión más versátil que tiene una característica única que lo distingue de otros dispositivos de presión: su transparencia óptica. Esto proporcionó a los pioneros de la alta presión la capacidad de observar directamente las propiedades de un material bajo presión.
Con solo el uso de un microscopio óptico, se podían ver inmediatamente los límites de fase, los cambios de color y la recristalización, mientras que la difracción de rayos X o la espectroscopia requerían tiempo para exponer y desarrollar película fotográfica. El potencial de la celda de yunque de diamante fue reconocido por Alvin Van Valkenburg mientras preparaba una muestra para espectroscopía de infrarrojos y comprobaba la alineación de las caras del diamante.
La celda de diamante fue creada en el National Bureau of Standards (NBS) por Charles E. Weir, Ellis R. Lippincott y Elmer N. Bunting. Cada miembro del grupo se centró en diferentes aplicaciones de la celda de diamante. Van Valkenburg se centró en hacer observaciones visuales, Weir en DRX, Lippincott en espectroscopía de infrarrojos. Los miembros del grupo tenían una amplia experiencia en cada una de sus técnicas antes de comenzar la colaboración externa con investigadores universitarios como William A. Bassett y Taro Takahashi en la Universidad de Rochester.
Primeros ensayos
Durante los primeros experimentos con yunques de diamante, la muestra se colocaba en la punta plana del diamante (la culata) y se presionaba entre las caras del diamante. A medida que las caras del diamante se acercaban, la muestra se presionaba y salía del centro.
Usando un microscopio para ver la muestra, se podía ver que existía un gradiente de presión suave a través de la muestra, con las porciones más externas de la muestra actuando como una especie de junta tórica. La muestra no se distribuía uniformemente en la culata de diamante, sino que se localizaba en el centro debido al «copeteo» del diamante a presiones más altas.
Este fenómeno de copeteo es el estiramiento elástico de los bordes de la culata de diamante, comúnmente conocido como «altura del hombro». Muchos diamantes se rompían durante las primeras etapas de la producción de una nueva celda o en cualquier momento que un experimento se llevaba a presiones más altas.
El grupo del NBS estaba en una posición única donde tenían suministros casi ilimitados de diamantes. Aduanas a veces confiscaban diamantes de personas que intentaban contrabandearlos al país. Deshacerse de materiales confiscados tan valiosos podría ser problemático dadas las reglas y regulaciones. Una solución fue simplemente poner esos materiales a disposición de personas en otras agencias gubernamentales si podían argumentar convincentemente su uso. Esto se convirtió en un recurso inigualable a medida que otros equipos en la Universidad de Chicago, la Universidad de Harvard y General Electric entraron en el campo de alta presión.
Durante las décadas siguientes, las celdas de yunque de diamante se han refinado sucesivamente, siendo las innovaciones más importantes el uso de juntas tóricas y la calibración de presión con rubí. La celda de yunque de diamante ha evolucionado para ser el dispositivo de laboratorio más potente para generar presión estática. El rango de presión estática alcanzable hoy en día se extiende hasta 640 GPa, mucho más alto que las presiones estimadas en el centro de la Tierra (~360 GPa).
Usos
Antes de la invención de la celda de yunque de diamante, los aparatos estáticos de alta presión requerían grandes prensas hidráulicas que pesaban varias toneladas y necesitaban laboratorios especializados de gran tamaño. La simplicidad y compacidad de la DAC significaba que podía ser acomodada en una amplia variedad de experimentos.
Algunas DAC contemporáneas pueden adaptarse fácilmente a un criostato para mediciones a baja temperatura y para su uso con un electroimán superconductor. Además de ser duros, los diamantes tienen la ventaja de ser transparentes a un amplio rango del espectro electromagnético, desde el infrarrojo hasta los rayos gamma, con la excepción del ultravioleta lejano y los rayos X suaves. Esto hace que la DAC sea un dispositivo perfecto para experimentos espectroscópicos y para estudios cristalográficos utilizando rayos X duros.
Una variante del yunque de diamante, la celda de yunque de diamante hidrotermal (HDAC), se utiliza en petrología experimental/geocronología para el estudio de fluidos acuosos, fundidos de silicato, líquidos inmiscibles, solubilidad mineral y especiación de fluidos acuosos a presiones y temperaturas geológicas.
A veces, la HDAC se utiliza para examinar complejos acuosos en solución utilizando las técnicas de fuente de luz de sincrotrón XANES y EXAFS. El diseño de HDAC es muy similar al de DAC, pero está optimizado para estudiar líquidos.
Para más información Van Valkenberg’s anvil
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APA: (2024-06-10). Celda de yunque de diamante (DAC). Recuperado de https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/celda-de-yunque-de-diamante-dac/
ACS: . Celda de yunque de diamante (DAC). https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/celda-de-yunque-de-diamante-dac/. Fecha de consulta 2024-12-03.
IEEE: , "Celda de yunque de diamante (DAC)," https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/celda-de-yunque-de-diamante-dac/, fecha de consulta 2024-12-03.
Vancouver: . Celda de yunque de diamante (DAC). [Internet]. 2024-06-10 [citado 2024-12-03]. Disponible en: https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/celda-de-yunque-de-diamante-dac/.
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