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Haben Sie sich schon einmal über die Eigenschaften von Quarzglas gewundert? Bedenken Sie.

Laut Nautre.com:

„In zahlreichen Studien wurde gezeigt, dass Quarzglas eine erhebliche Fähigkeit zur dauerhaften Verdichtung unter Druck bei unterschiedlichen Temperaturen besitzt, um hochdichtes amorphes (HDA) Siliziumdioxid zu bilden. Es ist jedoch unbekannt, inwieweit die Prozesse, die zu einer irreversiblen Verdichtung von Quarzglas beim Kaltkomprimieren bei Raumtemperatur und beim Heißkomprimieren (z. B. nahe der Glasübergangstemperatur) führen, in der Natur üblich sind. In dieser Arbeit wurde eine Heißkompressionstechnik verwendet, um Quarzglas unter Hochtemperatur- (1100 °C) und Hochdruckbedingungen (bis zu 8 GPa) abzuschrecken, was zu einer Dichteerhöhung von ~25 % und einer Erhöhung des Elastizitätsmoduls von ~71 führt % relativ zu dem von reinem Quarzglas bei Umgebungsbedingungen. Unsere Experimente und Molekulardynamiksimulationen (MD) liefern solide Beweise dafür, dass sich die mittlere Ordnung des heißkomprimierten HDA-Silicas von der des bei Raumtemperatur kaltkomprimierten Gegenstücks unterscheidet. Dies erklärt die viel höhere thermische und mechanische Stabilität des ersteren als des letzteren beim Erhitzen und Komprimieren, wie in unseren In-situ-Brillouin-Lichtstreuungsexperimenten (BLS) gezeigt wurde. Unsere Studien demonstrieren die Limitierung der resultierenden Dichte als strukturellen Indikator für Polyamorphismus und weisen auf die Bedeutung der Temperatur während der Kompression hin, um HDA-Kieselsäure grundlegend zu verstehen.

„Als ein archetypisches netzwerkbildendes Oxid mit starren tetraedrischen Bausteinen war Quarzglas (und Schmelze) das Ziel zahlreicher Hochdruckstudien in der Physik der kondensierten Materie, den Materialwissenschaften und Geowissenschaften usw.1,2,3, 4 Quarzglas kann unter Druck reversible und irreversible amorph-amorphe (polyamorphe) Übergänge durchlaufen, die zu einer elastischen Erweichung bei anfänglicher Kompression5,6,7,8,9 und einer dauerhaften Verdichtung unter hohem Druck führen9,10,11,12,13,14 ,fünfzehn. Bei Raumtemperatur (Kaltkompression) bei Drücken über 8–9 GPa findet ein irreversibler polyamorpher Übergang statt und das zurückgewonnene Glas hat eine erhöhte Dichte und erreicht eine maximale Verdichtung von ~21 % nach Kompression bei 18–20 GPa6,9,15 ,16. Die gleiche oder sogar noch höhere Verdichtung kann bei viel niedrigeren Drücken (4–8 GPa) bei hohen Temperaturen (Heißkompression)13,17,18,19,20,21,22,23,24 erreicht werden. Ob bei der Kaltverdichtung und der Heißverdichtung von Quarzglas die gleiche Strukturumwandlung stattfindet und ob die Struktur und Eigenschaften von HDA-Kieselsäure allein anhand der resultierenden Dichte verstanden werden können, ist bislang unklar.

„In dieser Studie haben wir Quarzglasproben auf Drücke von bis zu 8 GPa komprimiert, sie 30 Minuten lang bei 1100 °C (Tg ≈ 1200 °C) gehalten und vor dem Ablassen des Drucks schnell auf Raumtemperatur abgeschreckt. Bei Umgebungsbedingungen wurde festgestellt, dass sich die Struktur und die Eigenschaften von HDA-Kieselerde, die bei der Heißkompression hierin erhalten wurde, von denen des kaltkomprimierten in beiden experimentellen Charakterisierungen wie Röntgenbeugung, Raman und BLS und in MD-Simulationen unterscheiden. In-situ-BLS-Studien unter hoher Temperatur und hohem Druck liefern solide Beweise dafür, dass die thermische und mechanische Stabilität von heißkomprimiertem und kaltkomprimiertem HDA-Silica sehr unterschiedlich sind. Unsere MD-Simulationen zeigen die unterschiedlichen atomaren Prozesse, die an der Kaltkompression und der Heißkompression von Quarzglas beteiligt sind, und die strukturellen Unterschiede in HDA-Silica, das auf verschiedenen Wegen erhalten wird. Unsere Studie zeigt die Limitierung der resultierenden Dichte als strukturellen Indikator für Polyamorphie und die Bedeutung der Temperatur während der Kompression, um die polyamorphen Übergänge in Quarzglas grundlegend zu verstehen.

Ergebnisse

„Die Verdichtung von Quarzglas als Funktion des Abschreckdrucks aus der Heißkompression in dieser Studie ist in Abb. 1, zusammen mit Daten der Kaltkompression bei Raumtemperatur von Rouxel et al.15 und Deschamps et al.12, bei 400 °C von Mackenzie13 und Arndt und Stöffler17, bei 700 °C von Poe et al.18, at 900 °C von Höfler und Seifert19. Abbildung 1 zeigt deutlich, dass das Ausmaß der bleibenden Verdichtung von der Temperatur abhängt, bei der die Verdichtung durchgeführt wurde. Der Unterschied wird kleiner, wenn sich die Temperatur der Tg von reinem Quarzglas nähert. Beispielsweise ergibt die Heißkompression bei 900 °C in der Studie von Hofler und Seifert19 und bei 1100 °C in dieser Arbeit fast die gleiche Verdichtung. Abbildung 1 zeigt auch, dass die Heißkompression im nicht starren Zustand (nahe Tg von unberührtem Quarzglas) viel effektiver ist als die Kaltkompression im starren Zustand bei Raumtemperatur, um die Dichte von Quarzglas zu erhöhen. Unter einem Abschreckdruck von 8 GPa steigt die Dichte von Quarzglas in unserer Studie um fast 25 %, verglichen mit einer maximalen Zunahme von ~21 %, die durch die Kaltkompression unter viel höheren Drücken bei 18–20 GPa erreicht wird6,9,15,16. Die obigen Beobachtungen zeigen, dass die Temperatur die Verdichtung von Quarzglas unter Druck erleichtert, wahrscheinlich durch die Ermöglichung unterschiedlicher Strukturumwandlungen, die andernfalls bei Raumtemperatur nicht möglich wären.

„Der gesamte Röntgenstrukturfaktor S(q) von heißgepressten Proben bei Umgebungsbedingungen ist in Abb. 2A dargestellt. Die Position des ersten scharfen Beugungspeaks (FSDP) und seine volle Breite beim halben Maximum (FWHM) sind in Abb. S4 zu sehen. Das FSDP ist mit der mittleren Ordnung des Silica-Netzwerks mit einer Korrelationslänge (R) verbunden: , wobei die Position des FSDP ist. Die Kohärenzlänge (L) schätzt den Bereich, über den die Periodizität überlebt, und kann wie folgt berechnet werden: , wobei die FWHM des FSDP25 ist. Wie im Fall von verdichtetem Quarzglas bei Kaltkompression verschiebt sich die Position des FSDP von heißkomprimiertem Quarz mit zunehmendem Abschreckdruck zu höheren q-Werten, was aus einer verdichteten Struktur resultiert. Im Gegensatz zur Kaltkompression26 verengt sich jedoch das FSDP von heißkomprimiertem Silica (Abb. S4B) und seine Intensität nimmt mit dem Druck nicht merklich ab, wie in Abb. 2A zu sehen ist, ähnlich den Beobachtungen unserer MD-Simulationen in Abb. S5. Dieses Verhalten wurde auch durch In-situ-Messungen von komprimiertem Quarzglas beobachtet, das in der Studie von Inamura et al.21 gleichzeitig erhitzt wurde, oder in HDA-Silica, das bei 500 °C verdichtet wurde27. Dies weist darauf hin, dass die Ordnung im mittleren Bereich von kaltgepresstem Silica unter Druck wesentlich verändert wird. Eine Verbreiterung des FSDP zeigt an, dass die Kohärenzlänge dramatisch abnimmt oder die Zwischenordnung von kaltkomprimiertem Quarzglas heterogen wird. Im Gegensatz dazu zeigt die in Abb. S4B gezeigte Verengung des FSDP in heißkomprimiertem HDA-Kieselgel, dass die verantwortlichen Strukturmerkmale im mittleren Bereich mit zunehmendem Abschreckdruck weniger variiert werden. Die Kohärenzlänge beträgt 10,12 Å für reines Quarzglas und 11,55 Å für die HC-8-GPa-Probe (abgeschreckt von 8 GPa bei 1100 °C), eine Zunahme von 12,4 %. Eine Diskussion der Realraum-Korrelationsfunktion G(r) findet sich in den Hintergrundinformationen, Sec. 5.

„Die Auswirkung des Abschreckdrucks auf die Struktur von Quarzglas ist auch aus den Raman-Spektren bei Umgebungsbedingungen in Abb. 2B. Die Raman-Hauptbande (~440 cm-1) verengt sich allmählich und verschiebt sich mit dem Anstieg des Löschdrucks von 0 auf 8 GPa auf 495 cm-1 (Abb. S7A). Dies deutet auf einen kleineren Mittelwert und eine engere Verteilung der Si-O-Si-Winkel in heißkomprimiertem Quarzglas hin. Zum Vergleich wurde gezeigt, dass sich die Raman-Hauptbande in kaltkomprimiertem Quarzglas innerhalb des elastischen Erholungsbereichs von P von 440 cm-1 auf 530 cm-1 verschiebt

„Änderungen in der Struktur von Quarzglas als Funktion des Abschreckdrucks bei der Heißkompression führen zu einer erheblichen Erhöhung des Elastizitätsmoduls, wie in Abb. 3A (Einzelheiten zu Elastizitätsmodulmessungen finden sich in den Hintergrundinformationen, Abschnitt 7). Wenn der Abschreckdruck von 0 auf 8 GPa erhöht wird, steigt der Elastizitätsmodul von 72 auf 123 GPa (71 %) und der Schermodul von 32 auf 50 GPa (61 %), viel höher als die Dichtezunahme (25 %). Feige. 1. Fig. 3B zeigt, dass unter 20 % Dichtezunahme HDA-Kieselsäure aus der Heißkompression einen höheren Kompressionsmodul hat als das aus der Kaltkompression bei gleichem Verdichtungsgrad. Oberhalb von 20 % Dichtezunahme wird der Unterschied mit zunehmender Verdichtung kleiner. Ähnliche Trends sind beim Elastizitäts- und Schubmodul in Abb. S10. Entgegen der Schlussfolgerung von Deschamps et al.12 zeigt unsere Studie, dass die Elastizitätsmodule nicht nur vom Ausmaß der Verdichtung abhängen, sondern auch vom Weg zum Erreichen der dauerhaften Verdichtung. Die obigen Beobachtungen zeigen, dass es einen gewissen Unterschied zwischen kaltkomprimiertem und heißkomprimiertem HDA-Silica gibt, der sich nicht durch die Dichte unterscheidet.

„Kaltkomprimiertes und heißkomprimiertes HDA-Kieselgel unterscheiden sich wirklich voneinander durch ihre dramatisch unterschiedliche Reaktion auf thermische und mechanische Einwirkungen. Wie in Abb. 4A, für die HC-6-GPa-Probe (abgeschreckt von 6 GPa bei 1100 °C, 23 % Dichtezunahme), nachdem sie 15 h lang bei 500 °C gehalten wurde, gibt es eine vernachlässigbare Änderung in der longitudinalen Brillouin-Frequenzverschiebung (von der die Längsmodul kann anhand der Probendichte und des Brechungsindex berechnet werden). Wenn die Temperatur höher als 650 °C ist, nimmt die Brillouin-Frequenzverschiebung schnell ab und schließt sich bei Temperaturen über 1000 °C der von reinem Quarzglas an. Danach gibt es keinen Unterschied zwischen der HC-6-GPa-Probe und reinem Quarzglas, da die Abkühlkurve des ersteren perfekt mit der Aufheizkurve des letzteren überlappt. Während für die CC-18-GPa-Probe (abgeschreckt von 18 GPa bei Raumtemperatur, 17 % Dichtezunahme) die Abnahme der Brillouin-Frequenzverschiebung bereits bei Raumtemperatur beginnt32. Die dramatischen Unterschiede in der Reaktion auf Temperatur zeigen, dass die Struktur des heißkomprimierten und des kaltkomprimierten HDA-Siliciumdioxids eindeutig verschieden sind.

„Wie in Abb. In 4B und im Einschub nimmt die Brillouin-Frequenzverschiebung für unberührtes Quarzglas, das bei Raumtemperatur kalt komprimiert wurde, zunächst mit dem Druck ab, erreicht ein Minimum bei etwa 2–3 GPa und steigt dann als normaler Feststoff an. Dies hängt mit der bekannten elastischen Anomalie von Quarzglas unter Druck zusammen5,6,7,8,9. Mit zunehmendem Löschdruck nimmt das Minimum der Frequenzverschiebung ab und verschiebt sich zu einem höheren Prüfdruck und verschwindet schließlich in den HC-6- und HC-8-GPa-Proben, wie im Einschub von Abb. 4B. Bei der HC-6-GPa-Probe ändert sich die Frequenzverschiebung bei einem Druck von bis zu 5–6 GPa nicht und nimmt dann eine leicht positive Steigung ähnlich der der HC-8-GPa-Probe an. Unsere Studie stimmt gut mit früheren Studien6,9,33,34 und mit Beobachtungen aus unseren MD-Simulationen (Abb. S12) überein, dass die elastische Anomalie zunehmend mit dem Verdichtungsgrad verschwindet. Wie in Abb. 4B gezeigt, sind bei der Kaltkompression größere Drücke (P > 15 GPa) erforderlich, um die elastische Anomalie zu beseitigen. Grimsditch zeigte, dass die Kaltkompression über das elastische Verformungsregime hinaus zu verdichtetem Quarzglas führt, das dann bei erneuter Kompression auf den maximalen Druck der anfänglichen Kompression elastisch verformt werden kann6. Daher ist die Rekompressionskurve der CC-15-GPa- und CC-22-GPa-Proben in Abb. 4B würde sich mit den Dekompressionskurven von 15 GPa und 22 GPa9 überschneiden, was uns die Möglichkeit bietet, die Reaktion von kalt- und heißkomprimiertem Quarzglas auf den Prüfdruck zu vergleichen. Abbildung 4B zeigt, dass sich die strukturellen Veränderungen von Quarzglas durch die Kaltkompression deutlich von der Heißkompression unterscheiden: 1) viel höhere Drücke sind erforderlich, um vergleichbare Brillouin-Frequenzverschiebungen zu erreichen (15 GPa und 22 GPa bei der Kaltkompression gegenüber 4 und 8 GPa bei der Heißkompression); 2) es gibt kein elastisches Minimum in der CC-15-GPa-Probe, während in der HC-4-GPa-Probe immer noch ein ausgeprägtes Minimum vorhanden ist; 3) Die CC-22 GPa-Probe zeigt im Vergleich zur HC-8 GPa-Probe einen viel höheren Anstieg der Brillouin-Frequenzverschiebung mit zunehmendem Prüfdruck. Darüber hinaus bleiben die HC-6-GPa- und HC-8-GPa-Proben bis zu 20 GPa bzw. 26 GPa elastisch (Abb. S11), was jeweils der maximale getestete Druck ist. Dies zeigt, dass heiß komprimierte Proben eine viel höhere Schwelle für irreversible Strukturänderungen haben, bis zu dreimal so hoch wie bei reinem Quarzglas, das bei 8–9 GPa irreversibel verdichtet werden kann6,9,15,16.

Diskussion

„Die obigen Beobachtungen zeigen, dass die Heißkompression im nicht starren Zustand zu einzigartigen Strukturen und Eigenschaften führen kann, die durch die Kaltkompression im starren Zustand nicht erreicht werden können. Im Gegensatz zu Schlussfolgerungen aus früheren Studien von heiß- und kaltkomprimiertem HDA-Silica bei Umgebungsbedingungen12,24 zeigen unsere In-situ-BLS-Messungen der Reaktion von HDA-Silica auf thermische und mechanische Bewegungen, dass die Struktur und Eigenschaften von HDA-Silica stark von der Temperatur ab, bei der die Kompression durchgeführt wird, nicht nur von der resultierenden Verdichtung.

„Die einzigartige Reaktion von heißkomprimiertem HDA-Silica auf thermische und mechanische Bewegungen in Abb. 4 ergibt sich zweifellos aus der ausgeprägten zugrunde liegenden Struktur, wie in Abb. 2, obwohl Details im atomaren Maßstab aus Experimenten allein schwer zu erhalten sind. Dazu haben wir klassische MD-Simulationen durchgeführt, um die atomaren Vorgänge bei der Verdichtung im starren und nicht-starren Zustand und die strukturellen Unterschiede zwischen kalt- und heißkomprimierter HDA-Kieselsäure zu veranschaulichen. Abbildung 5A zeigt die Ringstatistik von reinem, kalt- und heißkomprimiertem Quarzglas. Ähnlich wie bei früheren ersten Prinzipien35 und klassischen MD-Simulationen36 sind sechsgliedrige Ringe über einen breiten Verteilungsbereich von Ringen in reinem Quarzglas am häufigsten. Mit zunehmender Verdichtung bei der Kaltverdichtung nimmt die Population der Sechsringe ab, es treten immer mehr größere Ringe (acht und höher) auf. Mit anderen Worten, die Ringgrößenverteilung ist gestreckt und nach rechts verzerrt. In der HC-8-GPa-Probe dominieren siebengliedrige Ringe, aber die Ringgrößenverteilung ist mehr oder weniger symmetrisch, ähnlich der in reinem Quarzglas. Dies zeigt, dass die Zwischenordnung (oder Netzwerkkonnektivität) in kaltkomprimiertem und heißkomprimiertem HDA-Silica unterschiedlich ist. Ein weiterer Beweis ist in den Porengrößenverteilungen in Abb. 5B. In reinem Quarzglas existiert ein breites Spektrum an Poren (1–6 Å Durchmesser). Mit zunehmender Verdichtung in kaltgepresster Kieselsäure nimmt die Größe der wahrscheinlichsten Poren ab, was einer verdichteten Struktur entspricht. Allerdings ist noch ein erheblicher Anteil an Poren mit Durchmessern von 4–5 Å vorhanden. Bei heißgepresster Kieselsäure hingegen werden diese großen Poren vollständig eliminiert und die Porengrößenverteilung wird enger und symmetrischer. Abbildung 5B zeigt deutlich, dass die Ordnung im mittleren Bereich in heißkomprimiertem HDA-Silica gleichförmiger (homogener) ist als die im kaltkomprimierten Gegenstück. Dies stimmt mit XRD-Messungen überein, dass bei ersterem ein schmaleres und intensiveres FSDP beobachtet wird als bei letzterem. Abbildung 5A zeigt auch, dass sich in kaltgepresstem HDA-Silica die Population von 3- und 4-gliedrigen Ringen im Vergleich zu reinem Silicaglas nicht merklich ändert. Die höhere Intensität des D2-Peaks im Raman-Spektrum von kaltgepresstem Quarzglas in Abb. S8 resultiert eher aus den wesentlichen Umordnungen in der Netzwerkstruktur, an die diese kleinen Ringe gebunden sind und in der sie schwingen.

„Die inhomogene Zwischenordnung in kaltgepresster HDA-Kieselsäure wird vom Ausgangsmaterial geerbt. Da reines Quarzglas auf atomarer Ebene ein inhomogener Feststoff ist; bei Kompression im starren Zustand reagieren verschiedene Regionen unterschiedlich auf Druck. Bestimmte Regionen werden stärker verformt als andere, was lokal zu größeren strukturellen Neuordnungen führt. Bei der Dekompression wird ein Teil dieser strukturellen Modifikationen auf Umgebungsbedingungen abgeschreckt, was natürlich zu einem inhomogenen, aber dichteren Feststoff führt. Andererseits wird aus MD-Simulationen37 und aus Viskositätsmessungen für Materialien mit ähnlichen Strukturen, wie Wasser, Silikat und Germania-Flüssigkeiten bei hohen Drücken, eine Abnahme der Viskosität und damit eine Abnahme der Tg mit dem Druck für Quarzglas erwartet38,39,40. Beim Komprimieren im nicht starren Zustand kann aufgrund der kurzen Relaxationszeiten für viskoses Fließen durch koordinierte Tetraederbewegungen schnell eine homogene dichtere Gleichgewichtsflüssigkeitsstruktur erreicht werden, die dann beim Abschrecken bei der Glasübergangstemperatur eingefroren wird, wodurch eine homogene entsteht dichteres Glas. Sowohl in kalt- als auch in heiß komprimiertem HDA-Siliciumdioxid sind erhebliche strukturelle Anordnungen erforderlich, um die kompaktierte Packung von SiO 4 -Tetraedern aufzunehmen. Kaltkomprimiertes HDA-Silica hat jedoch die Struktur eines dichten und desorganisierten Glases, das im starren Zustand kompaktiert ist, während das heißkomprimierte Gegenstück die Struktur einer dichten gefrorenen und gut organisierten Flüssigkeit hat, die im nicht starren Zustand kompaktiert ist. Sowohl bei der Kaltkompression als auch bei der Heißkompression können sich vorübergehende 5- und 6-fache Si-Spezies unter Druck aufgrund des Verschiebungs- und nicht des thermisch aktivierten Mechanismus bilden, der mit der Koordinationsänderung verbunden ist41,42. Bei Druckentlastung kehren diese höheren Koordinationszustände von Si jedoch wieder in den vierfachen Koordinationszustand zurück26,43,44,45. Basierend auf einer kürzlich durchgeführten Untersuchung der Sauerstoffzahldichte46 liegt sogar unser heißkomprimiertes HDA-Kieselgel mit der höchsten Dichtezunahme (25 %) noch innerhalb des erwarteten Bereichs für ein vollständig polymerisiertes tetraedrisches Gerüst.

„Die unterschiedliche Zwischenordnung von kalt- und heißkomprimierter HDA-Kieselsäure erklärt ihre unterschiedliche Reaktion auf Temperatur und Druck. In kaltkomprimiertem HDA-Silica existiert immer noch eine nennenswerte Menge an großen Poren (> 4 Å Durchmesser), die den offenen Raum (freies Volumen) bereitstellen, der für strukturelle Umordnungen beim Tempern benötigt wird. Ohne sie kann die verdichtete Struktur aus der Heißkompression bei viel höheren Temperaturen beibehalten werden, bevor sie wieder in den nicht verdichteten Zustand zurückkehrt, also eine viel höhere thermische Stabilität im Vergleich zu der kaltkomprimierten (Abb. 4A). Die heterogene Zwischenbereichsstruktur von kaltkomprimiertem HDA-Silica macht es auch anfällig für weitere strukturelle Umlagerungen, wie z. B. die Koordinationsänderung unter Druck, was den schnelleren Anstieg der Brillouin-Frequenzverschiebung mit Druck erklärt als bei heißkomprimiertem Gegenstück (Abb. 4B).

Methoden

„Als Ausgangsquarzglas wird Suprasil 300 mit niedrigem OH-Gehalt (≤1 ppm) verwendet. Proben, die unter Drücken von bis zu 4 GPa abgeschreckt wurden, wurden in einer Kolben-Zylinder-(PC)-Apparatur47 präpariert, während unter 4 bis 8 GPa in einer Multi-Amboss-(MA)-Vorrichtung vom Walker-Typ durchgeführt wurden48,49. Zylinder mit 3 mm Durchmesser wurden aus einem Puck des Ausgangsmaterials kerngebohrt und für PC-Experimente auf 6 mm Länge und zur Verwendung in MA auf 3 mm Länge geschnitten. Einzelheiten zur Probenvorbereitung und zu Unterschieden in den angewandten Drücken zwischen den beiden Geräten werden in den Hintergrundinformationen, Sec. 1 & 2.

„Ein Metricon Model 2010/M Prism Coupler wurde verwendet, um den Brechungsindex bei Raumtemperatur (Genauigkeit von ±0,0002) mit einem grünen 532-nm-Laser zu messen. Die Dichte unserer heißgepressten Proben wurde aus der Beziehung zwischen linearem Brechungsindex und Dichte ermittelt, die von Tan et al.50 aufgestellt und in Abb. S3.

„Die Röntgenbeugung bei Umgebungsbedingungen wurde an der Strahllinie X17B3 an der National Synchrotron Light Source (NSLS) im Brookhaven National Lab gemessen, die von COMPRES betrieben wird. Winkeldispersive Streuung wurde unter Verwendung von monochromatischem Röntgenstrahl mit einer Wellenlänge von 0,152901 ± 0,0001 Å51 durchgeführt, fokussiert auf ~15 μm bei einem Abstand von L = 293,73 mm von einem CCD-Detektor mit einer Fläche von 1.678 cm2. Der Abstand und die Energie wurden durch CeO2-Pulverbeugung unter Verwendung einer iterativen Ringanpassungsmethode kalibriert51. Dies ermöglichte eine radialsymmetrische Untersuchung von q-Werten bis 24 Å−1, aber aufgrund von Rauschen im höheren q-Bereich wurden die Spektren bei 18 Å−1 abgeschnitten. Das Fit2D-Programm52 wurde verwendet, um rohe Röntgenbeugungsdaten zu verarbeiten, um 1-dimensionale Intensität-gegen-2θ-Plots zu erzeugen, und das RAD-Programm53 wurde verwendet, um S(q)- und G(r)-Spektren zu erzeugen.

„Ein kontrastreiches Fabry-Pérot-Interferometer mit sechs Durchgängen, gekoppelt mit einem konfokalen Raman-Mikroskop LabRAM HR800, wurde verwendet, um Lichtstreuungsexperimente unter Verwendung eines grünen 532-nm-Lasers als Sondenlichtquelle durchzuführen. Raman-Streuung wurde in Rückstreugeometrie (180°) mit einer 50×-Mikroskoplinse und einem 600 g/mm-Gitter durchgeführt. Bei BLS-Messungen wurde eine emulierte Plättchengeometrie verwendet, indem die Probe auf eine gut polierte Pt-Platte gelegt wurde54. In-situ-BLS während des Temperns wurde unter Verwendung eines Linkam TS1500-Heiztisches durchgeführt. Die Probe wurde mit einer Geschwindigkeit von 50 °C/min auf die Zieltemperatur (±1 °C) erhitzt und 10 Minuten lang äquilibrieren gelassen, bevor ~2–5 Minuten lang Brillouin-Spektren aufgenommen wurden. Ein membrangetriebener DAC wurde verwendet, um hydrostatische Drücke von bis zu 26 GPa zu erzeugen. Eine Glasprobe (ca. 100 μm × 100 μm × 20 μm groß), eine Rubinkugel (5–10 μm Durchmesser, als Druckkalibrierung) und ein Druckübertragungsmedium (PTM) wurden in ein Loch geladen, das in eine Edelstahldichtung gebohrt wurde. Der Druck im DAC wurde aus der druckabhängigen Verschiebung der Rubinfluoreszenz bestimmt55. Hydrostatische Bedingungen bis zu 15 GPa wurden durch Verwendung einer 4:1-Methanol:Ethanol-Mischung als PTM erreicht. Für Tests über 15 GPa wurde flüssiges Argon kryogenisch in den DAC geladen, um als PTM zu fungieren. Nachdem ein bestimmter Druck im DAC erreicht war, ließ man die Probe 15–20 Minuten äquilibrieren, bevor eine Messung durchgeführt wurde. Die Längsfrequenzverschiebung wurde aus der BLS-Rückstreugeometrie im DAC unter Verwendung einer Linse mit f = 50,8 mm erhalten. Wiederholte Messungen ergaben Fehler bei Brillouin-Frequenzverschiebungen von ~0,1 GHz, Fehler bei Drücken wurden durch wiederholte Messungen auf innerhalb von 0,1 GPa geschätzt.

„Molekulardynamik(MD)-Simulationen wurden für 3000 Teilchen (1000 Si und 2000 O) mit periodischen Randbedingungen unter Verwendung eines Charge-Transfer-Dreikörperpotentials durchgeführt56. Die heißgepressten Proben wurden durch Erhitzen und Schmelzen von Cristobalit-Silica und anschließendes Abschrecken der Flüssigkeit mit unterschiedlichen Drücken auf der Simulationsbox34 erhalten. Die Drücke wurden entspannt und spätere Tests wurden alle bei Raumtemperatur durchgeführt. Um die zeitliche Begrenzung bei der MD-Simulation zu überwinden, wurde für die kaltkomprimierten Proben ein unberührtes Quarzglas auf 727 °C (Tg bei ~2700 °C in MD) erhitzt und auf unterschiedliche Drücke komprimiert, um den Verdichtungsprozess zu erleichtern. Der Druck wurde bei 727 °C abgelassen und die Proben wurden für weitere Tests auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Dichte der HC-8-GPa-Probe aus unserer MD-Simulation beträgt 2,750 g/cc, nahe dem Wert von 2,742 g/cc für die Probe, die in unserem Experiment unter dem gleichen Druck heiß komprimiert wurde. Weitere Einzelheiten zur Probenvorbereitung und zur Analyse der Ringgrößenverteilung finden Sie in unseren früheren Studien34,36,57,58. Die Porengrößenverteilung wurde nach den Verfahren in der Arbeit von Gelb und Gubbins berechnet59.“

Quelle