فيزياء المعادن

تضمنت العديد من الدراسات الرائدة في فيزياء المعادن استخدام الانفجارات أو المقذوفات التي تُعرّض العينة لصدمة. وخلال فترة وجيزة، تتعرض العينة لضغط أثناء مرور موجة الصدمة . وقد تم الوصول إلى ضغوط عالية تضاهي أي ضغط على سطح الأرض باستخدام هذه الطريقة. ومع ذلك، فإن لهذه الطريقة بعض العيوب. فالضغط غير منتظم للغاية وغير ثابت حراريًا ، لذا فإن موجة الضغط تُسخّن العينة أثناء مرورها. ويجب تفسير ظروف التجربة من خلال مجموعة من منحنيات الضغط والكثافة تُسمى منحنيات هوغونيو . ^{[ 1 ]}

تعتمد مكابس السندان المتعددة على ترتيب مجموعة من السندانات لتركيز الضغط الناتج عن المكبس على العينة. عادةً ما يستخدم الجهاز ثمانية سندانات مكعبة الشكل مصنوعة من كربيد التنجستن لضغط مجسم ثماني الأوجه من السيراميك يحتوي على العينة، بالإضافة إلى فرن مصنوع من السيراميك أو معدن الرينيوم. توضع السندانات عادةً في مكبس هيدروليكي كبير . طُوّرت هذه الطريقة بواسطة كاواي وإندو في اليابان. ^{[ 2 ]} على عكس الضغط الصدمي، يكون الضغط المُسلط ثابتًا، ويمكن تسخين العينة باستخدام فرن. يمكن الوصول إلى ضغوط تصل إلى حوالي 28 جيجا باسكال (ما يعادل أعماقًا تصل إلى 840  كيلومترًا)، ^{[ 3 ]} ودرجات حرارة أعلى من 2300  درجة مئوية، ^{[ 4 ]} باستخدام سندانات من كربيد التنجستن وفرن من كروميت اللانثانوم. الجهاز ضخم جدًا ولا يمكنه الوصول إلى ضغوط مماثلة لتلك الموجودة في خلية سندان الماس (الموضحة أدناه)، ولكنه قادر على التعامل مع عينات أكبر بكثير يمكن تبريدها وفحصها بعد التجربة. ^{[ 5 ]} في الآونة الأخيرة، تم تطوير سندانات من الماس المتلبد لهذا النوع من المكابس، والتي يمكنها الوصول إلى ضغوط تصل إلى 90 جيجا باسكال (  عمق 2700 كم). ^{[ 6 ]}

خلية سندان الماس هي جهاز صغير يُوضع على سطح الطاولة لتركيز الضغط. يمكنها ضغط قطعة صغيرة (أقل من ملليمتر) من المادة إلى ضغوط هائلة ، قد تتجاوز 3 ملايين ضغط جوي (300 جيجا باسكال ). ^{[ 7 ]} وهذا يتجاوز الضغط في مركز الأرض . يُعزى تركيز الضغط عند طرف الماس إلى صلابته ، بينما تسمح شفافيته وموصليته الحرارية العالية باستخدام مجموعة متنوعة من المجسات لفحص حالة العينة. ويمكن تسخين العينة إلى آلاف الدرجات.

لاستنتاج خصائص المعادن في أعماق الأرض، من الضروري معرفة كيفية تغير كثافتها مع الضغط ودرجة الحرارة . تُسمى هذه العلاقة معادلة الحالة . ومن الأمثلة البسيطة على معادلة الحالة التي يتنبأ بها نموذج ديباي للاهتزازات الشبكية التوافقية معادلة حالة ماي-غرونهايزن.

${\displaystyle \left({\frac {dP}{dT}}\right)={\frac {\gamma _{D}}{V}}C_{V},}$

أين${\displaystyle C_{V}}$هي السعة الحرارية و${\displaystyle \gamma _{D}}$هي دالة ديباي غاما. وتُعدّ هذه الدالة إحدى معاملات غرونهايزن العديدة التي تلعب دورًا هامًا في فيزياء الضغط العالي. أما معادلة الحالة الأكثر واقعية فهي معادلة حالة بيرش-مورناغان . ^{[ 9 ] : 66-73}

يُعطي تحليل البيانات الزلزالية صورًا لسرعة الموجات الزلزالية كدالة للعمق. ولا يزال يتعين تفسير هذه الصور في ضوء خصائص المعادن. وقد اكتشف فرانسيس بيرش طريقةً تقريبيةً مفيدةً للغاية : فمن خلال رسم بيانات عدد كبير من الصخور، وجد علاقةً خطيةً بين سرعة الموجات الانضغاطية وسرعة الموجات الزلزالية.${\displaystyle v_{p}}$من الصخور والمعادن ذات الوزن الذري المتوسط ​​الثابت${\displaystyle {\overline {M}}}$بكثافة${\displaystyle \rho }$: ^{[ 10 ] [ 11 ]}

${\displaystyle v_{p}=a{\overline {M}}+b\rho }$.

أصبحت هذه العلاقة تُعرف باسم قانون بيرش . وهذا يُتيح استقراء السرعات المعروفة للمعادن على السطح للتنبؤ بالسرعات في أعماق الأرض.

• اللزوجة
• زحف (تشوه)
• الذوبان
• التوصيل الكهربائي وخصائص النقل الأخرى

توجد عدة إجراءات تجريبية مصممة لاستخلاص المعلومات من البلورات المفردة والمسحوقة. يمكن استخدام بعض هذه التقنيات في خلية سندان الماس (DAC) أو مكبس متعدد السندان (MAP). يلخص الجدول التالي بعض هذه التقنيات.

باستخدام التقنيات العددية لميكانيكا الكم، يُمكن تحقيق تنبؤات دقيقة للغاية لخصائص البلورات، بما في ذلك بنيتها، واستقرارها الديناميكي الحراري، وخصائصها المرنة، وخصائص النقل فيها. ويُعدّ محدودية القدرة الحاسوبية عائقًا رئيسيًا أمام هذه الحسابات، إذ قد تستغرق أسابيع أو حتى شهورًا لإتمامها. ^{[ 9 ] : 107-109}