DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-59385-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40355474
تاريخ النشر: 2025-05-12
المؤلف: K. A. Pereira وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجيولوجيا الفيزيائية عالية الضغط والمواد
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في خصائص انصهار النيكل العنصري تحت ظروف قاسية ذات صلة بنواة الأرض، حيث يشكل النيكل 5-20 وزن.% من التركيب الذي يغلب عليه الحديد. باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية في الموقع على عينات النيكل المضغوط بالصدمات بالليزر، حققت الدراسة ضغوطًا تصل إلى حوالي 500 غيغاباسكال. تضمنت الإعدادات التجريبية محرك ليزر ذو قمة مسطحة، وتم جمع البيانات في مصدر الضوء المتماسك Linac. تم استخدام تحليل ريتفيلد لتحديد كثافات الحالات المتأثرة بالصدمات من بيانات الحيود، بينما تم اشتقاق الضغوط القصوى من سرعات الجسيمات المقاسة، وأوقات انتقال الصدمة، والمحاكاة الهيدروديناميكية، ومعايرات شدة الليزر.
تكشف النتائج أن النيكل المضغوط الصلب ذو التركيب المكعب المتمركز في الوجوه (fcc) يبقى مستقرًا حتى 332 ± 30 غيغاباسكال على الأقل، وهو أعلى بكثير من خطوط الانصهار المقترحة سابقًا للنيكل. بالإضافة إلى ذلك، يتم تحديد بداية الانصهار الجزئي بين 377 ± 38 غيغاباسكال و486 ± 35 غيغاباسكال. تسهم هذه النتائج في فهم أفضل لسلوك النيكل تحت ظروف النواة، مما يعالج فجوة حاسمة في البيانات التجريبية المتعلقة بخصائص انصهاره.
طرق
في هذه الدراسة، تم إجراء تجارب ضغط الصدمات في محطة Matter in Extreme Conditions (MEC) في مصدر الضوء المتماسك Linac (LCLS) في مختبر SLAC الوطني لتسريع الجسيمات. تم جمع البيانات خلال حملتين، LV13 و L10075، باستخدام إعداد تجريبي مشابه ولكن مع اختلافات في تصميم العينة ومواصفات الليزر. في حملة LV13، تم إنشاء موجة صدمة مدفوعة بالتبخر باستخدام نبضة قريبة من القمة المسطحة بمدة 10 نانوثانية أو 15 نانوثانية من ليزر بقدرة ~60 جول (طول موجي $\lambda = 527 \, \text{nm}$). تم تحسين شكل النبضة لإنتاج حالة صدمة مستقرة على طول Hugoniot الرئيسي للنيكل، مع قطر بقعة اسمي يبلغ 150 ميكرومتر وتوزيع الطاقة على مدى 140 ميكرومتر.
تضمنت الإعدادات التجريبية طبقة بوليميد (Kapton-B) كمواد تبخير، مع اختلافات في السماكة اعتمادًا على الجولات المحددة. بالنسبة للجولات 420 و422، تم استخدام طبقة بوليميد بسمك 100 ميكرومتر بدون نافذة، بينما استخدمت الجولات الأخرى طبقة بسمك ~80 ميكرومتر. تم تصنيف عينة ورق النيكل على أنها مكعبة متمركزة في الوجوه (fcc) مع معامل شبكة يبلغ $a = 3.5238 \, \text{Å}$ وكثافة $\rho = 8.911 \, \text{g/cm}^3$. في الحملة التالية L10075، تضمنت التعديلات طبقة بوليميد بسمك 50 ميكرومتر مطلية بالبلاتين وورقة نيكل أرق بسمك 12.5 ميكرومتر، بالإضافة إلى نافذة من فلوريد الليثيوم لتحسين قدرات القياس. تم ترقية ليزر الدفع البصري لتوفير حوالي 100 جول من الطاقة على الهدف، مما يسهل جمع بيانات أكثر قوة.
نتائج
تكشف نتائج هذه الدراسة أن انفجار موجات الصدمة في النيكل (Ni) كان مستويًا عبر جميع الجولات التجريبية، كما تم تأكيده بواسطة تصوير VISAR. تم تحديد أوقات الانفجار بنجاح لجميع الجولات، لكن سرعات الجسيمات والضغوط كانت قابلة للتحديد فقط للجولات 097 و099 و493 بسبب فراغ البيانات عند شدة الليزر العالية، والتي يُحتمل أن تكون ناجمة عن عدم شفافية نافذة LiF عند الضغوط التي تتجاوز حوالي 200 غيغاباسكال. بالنسبة للجولات 097 و099، تم حساب الضغوط القصوى باستخدام مطابقة المقاومة، مما أسفر عن قيم قدرها $183 \pm 23 \, \text{GPa}$ و$240 \pm 18 \, \text{GPa}$، على التوالي. كما أن الدراسة أثبتت وجود علاقة بين الضغوط المستمدة من قياسات VISAR وتلك المحسوبة من بيانات حيود الأشعة السينية (XRD)، مما يظهر التناسق عبر الطرق.
تم تحديد بداية الانصهار في النيكل بين $377 \pm 38 \, \text{GPa}$ و$486 \pm 35 \, \text{GPa}$، مع وجود أدلة على الانصهار الكامل عند ضغوط حوالي $527 \pm 87 \, \text{GPa}$. تشير هذه النتيجة إلى أن منحنى الانصهار للنيكل أكثر حدة مما تم الإبلاغ عنه سابقًا، مما يشير إلى درجة انصهار أعلى مقارنة بالحديد تحت ظروف مماثلة. تشير النتائج إلى تداعيات كبيرة على الكيمياء والديناميات في نواة الأرض الداخلية، خاصة فيما يتعلق بسلوك النيكل في سبائك الحديد عند الضغوط القصوى. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف تأثيرات السبائك على درجات انصهار النيكل وإمكانية الخلط غير المثالي في نظام Fe-Ni تحت ظروف النواة.
مناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المنهجية والنتائج المتعلقة بتحديد الضغط وقياسات حيود الأشعة السينية (XRD) عند واجهة Ni-LiF خلال تجارب الصدمة. تم قياس سرعات الجسيمات باستخدام نظام VISAR الخطي، الذي قدم ملفات سرعة أحادية الأبعاد عبر مجال رؤية يبلغ 360 ميكرومتر، مما يضمن تداخلًا مع بقعة التركيز للأشعة السينية. كشفت التحليلات عن حالة صدمة شبه مستقرة زمنياً، حيث تم استخدام وقت انفجار الصدمة وسرعات الذروة لتقدير حالات الضغط في العينة من خلال مطابقة المقاومة. استخدم المؤلفون معادلات الحالة المعروفة لـ LiF وNi لاشتقاق سرعات الصدمة وطبقوا تصحيحات لمؤشر الانكسار لـ LiF تحت ظروف الصدمة. تم إجراء إجمالي ثمانية جولات تجريبية، مما أسفر عن ضغوط قدرها 183(23)، 240(18)، و332(30) غيغاباسكال لجولات محددة، مع قيود إضافية من المحاكاة الهيدروديناميكية ومعايرات شدة الليزر.
تم إجراء قياسات XRD باستخدام ليزر إلكتروني حر عالي الطاقة، حيث تم التقاط بيانات الحيود في هندسة النقل قبل انفجار الصدمة. استخدمت التجارب كواشف ePix 10k QUAD لجمع البيانات عبر مجموعة من متجهات التشتت، مما يضمن قياس حالات الضغط القصوى فقط. يؤكد المؤلفون على أهمية المعايرة والتعامل مع بيانات XRD، والتي تضمنت قياسات قبل الصدمة وفي الموقع خلال ضغط الصدمة بالليزر. بشكل عام، تسهم النتائج في فهم أفضل لسلوك الصدمة وحالات الضغط في واجهة Ni-LiF تحت ظروف قاسية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-59385-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40355474
Publication Date: 2025-05-12
Author(s): K. A. Pereira et al.
Primary Topic: High-pressure geophysics and materials
Overview
This research investigates the melting properties of elemental nickel under extreme conditions relevant to Earth’s core, where nickel constitutes 5-20 wt.% of the predominantly iron composition. Utilizing in situ X-ray diffraction techniques on laser shock-compressed nickel samples, the study achieved pressures of approximately 500 GPa. The experimental setup involved a flat-top laser drive, and data were collected at the Linac Coherent Light Source. Rietveld analysis was employed to ascertain the densities of the shocked states from the diffraction data, while peak pressures were derived from measured particle velocities, shock transit times, hydrodynamic simulations, and laser intensity calibrations.
The findings reveal that solid compressed face-centered cubic (fcc) nickel remains stable up to at least 332 ± 30 GPa, which is significantly higher than previously proposed melting lines for nickel. Additionally, the onset of partial melting is bracketed between 377 ± 38 GPa and 486 ± 35 GPa. These results contribute to a better understanding of nickel’s behavior under core conditions, addressing a critical gap in experimental data regarding its melting properties.
Methods
In this study, shock compression experiments were conducted at the Matter in Extreme Conditions (MEC) endstation of the Linac Coherent Light Source (LCLS) at SLAC National Accelerator Laboratory. The data were collected during two campaigns, LV13 and L10075, utilizing a similar experimental setup but with variations in sample design and laser specifications. In the LV13 campaign, an ablatively-driven shockwave was generated using a 10 ns or 15 ns near flat-top pulse from a ~60 J laser (wavelength $\lambda = 527 \, \text{nm}$). The pulse shape was optimized to produce a steady shock state along the principal Hugoniot of nickel, with a nominal spot diameter of 150 μm and energy distribution over 140 μm.
The experimental configuration included a polyimide (Kapton-B) layer as an ablator, with variations in thickness depending on the specific runs. For runs 420 and 422, a 100 μm polyimide layer was used without a window, while the other runs employed an ~80 μm layer. The nickel foil sample was characterized as face-centered cubic (fcc) with a lattice parameter of $a = 3.5238 \, \text{Å}$ and density $\rho = 8.911 \, \text{g/cm}^3$. In the subsequent L10075 campaign, modifications included a 50 μm polyimide ablator coated with platinum and a thinner nickel foil of 12.5 μm, along with a lithium fluoride window for enhanced measurement capabilities. The optical drive laser was upgraded to deliver approximately 100 J of energy on target, facilitating more robust data collection.
Results
The results of this study reveal that the breakout of shock waves in nickel (Ni) was planar across all experimental runs, as confirmed by VISAR imaging. Breakout times were successfully determined for all runs, but particle velocities and pressures were only ascertainable for runs 097, 099, and 493 due to data blanking at high laser intensities, likely caused by the opacity of the LiF window at pressures exceeding approximately 200 GPa. For runs 097 and 099, peak stresses were calculated using impedance matching, yielding values of $183 \pm 23 \, \text{GPa}$ and $240 \pm 18 \, \text{GPa}$, respectively. The study also established a correlation between pressures derived from VISAR measurements and those calculated from X-ray diffraction (XRD) data, demonstrating consistency across methods.
The onset of melting in nickel was bracketed between $377 \pm 38 \, \text{GPa}$ and $486 \pm 35 \, \text{GPa}$, with evidence of full melting observed at pressures around $527 \pm 87 \, \text{GPa}$. This finding suggests that the melting curve for nickel is steeper than previously reported, indicating a higher melting temperature compared to iron under similar conditions. The results imply significant implications for the chemistry and dynamics of Earth’s inner core, particularly regarding the behavior of nickel in iron alloys at extreme pressures. Further research is warranted to explore the effects of alloying on melting temperatures and the potential for non-ideal mixing in the Fe-Ni system at core conditions.
Discussion
In this section, the authors detail the methodology and findings related to pressure determination and X-ray diffraction (XRD) measurements at the Ni-LiF interface during shock experiments. Particle velocities were measured using a line VISAR system, which provided one-dimensional velocity profiles across a 360 μm field of view, ensuring overlap with the X-ray focal spot. The analysis revealed a near-temporally steady shock state, with the shock breakout time and peak velocities used to estimate stress states in the sample through impedance matching. The authors employed established equations of state for LiF and Ni to derive shock velocities and applied corrections for the refractive index of LiF under shock conditions. A total of eight experimental runs were conducted, yielding pressures of 183(23), 240(18), and 332(30) GPa for specific runs, with additional constraints from hydrodynamic simulations and laser intensity calibrations.
The XRD measurements were performed using a high-energy X-ray free-electron laser, capturing diffraction data in transmission geometry before shock breakout. The experiments utilized ePix 10k QUAD detectors to collect data over a range of scattering vectors, ensuring that only peak pressure states were measured. The authors emphasize the importance of calibration and handling of the XRD data, which included both pre-shock and in situ measurements during laser-shock compression. Overall, the findings contribute to a better understanding of the shock behavior and stress states in the Ni-LiF interface under extreme conditions.