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Una celda de yunque de diamante (DAC por sus siglas en inglés) es un dispositivo utilizado en experimentos científicos. Permite comprimir una pequeña pieza (de tamaño sub-milimétrico) de material hasta presiones extremas, las cuales pueden exceder los 300 gigapascales (3 000 000 atmósferas).[1]
El dispositivo ha sido utilizado para recrear la presión existente en lo profundo de los planetas, creando materiales y fases no observadas bajo condiciones normales. Ejemplos notables incluyen el hielo X no molecular,[2] nitrógeno polimérico[3] y xenón metálico (un gas inerte a bajas presiones).
Una celda de yunque de diamante consiste en dos diamantes que se oponen con una muestra comprimida entre los culets. La presión puede ser monitoreada utilizando un material de referencia cuyo comportamiento bajo presión es conocido. Los estándares de presión comunes incluyen la fluorescencia del rubí,[4] y varios metales estructuralmente simples, tales como cobre o platino.[5] La presión uniaxial provista por la celda de yunque de diamante puede ser transformada en presión hidrostática uniforme utilizando un medio transmisor de presión, tales como argón, xenón, hidrógeno, helio, aceite de parafina o una mezcla de metanol y etanol.[6] El medio transmisor de presión está confinado por una junta y los dos yunques de diamante. La muestra puede ser vista a través los diamantes e iluminada por rayos X y luz visible. De esta forma, la difracción y fluorescencia de rayos X; absorción óptica y fotoluminiscencia; la dispersión Mössbauer, Raman y Brillouin; la aniquilación de positrones y otras señales pueden ser medidas a partir de materiales bajo alta presión. Un campo magnético y microondas puede ser aplicado de manera externa a la celda permitiendo la resonancia magnética nuclear, resonancia paramagnética electrónica y otras medidas magnéticas.[7] El adjuntar electrodos a la muestra permite medidas eléctricas y magnetoeléctricas así como el calentar la muestra a algunos miles de grados. Temperaturas mucho más altas (superiores a 7000 K)[8] pueden ser conseguidas con calentamiento inducido por láser,[9] y el enfriamiento hasta milikelvins ha sido demostrado.[6]
La operación de la celda de yunque de diamante se basa en un simple principio:
donde P es la presión, F es la fuerza aplicada, y A es el área.
Por tanto, una alta presión puede ser alcanzada mediante la aplicación de una fuerza moderada sobre una muestra con un área pequeña, en vez de aplicar una gran fuerza en una gran área. Para minimizar la deformación y la falla de los yunques que aplican la fuerza, deben ser hechos de un material muy duro y virtualmente incompresible tal como el diamante.
Percy Williams Bridgman, pionero de la investigación de la alta presión durante la primera mitad del siglo XX, revolucionó el campo de las altas presiones con su desarrollo de un dispositivo de yunque con pequeñas áreas planas donde se presionaban uno contra el otro con un brazo de palanca. Los yunques fueron hechos de una aleación de wolframio-carbono (WC). Este dispositivo podía alcanzar presiones de unos cuantos gigapascales, y fue utilizado en medidas de resistencia eléctrica y compresibilidad. La invención de la celda de yunque de diamante a finales de los años 1950 en la Oficina Nacional de Normas (NBS) por Weir, Lippincott, Van Valkenburg, y Bunting refinó más el proceso.[10] Los principios de la celda de yunque de diamante son similares a los de los yunques Bridgman pero para lograr las presiones más altas posibles sin romper los yunques, fueron hechos del material más duro conocido: un monocristal de diamante. Los primeros prototipos estaban limitados en su rango de presión y no había una forma confiable para calibrar la presión. Durante las décadas siguientes, las celdas de yunque de diamante han sido sucesivamente refinadas, siendo las innovaciones más importantes el uso de juntas y la calibración de la presión del rubí. La celda evolucionó para ser el dispositivo de laboratorio más poderoso para generar alta presión estática.[11] El rango de presión estática alcanzable se extiende hoy hasta las presiones estimadas en el centro de la Tierra (~360 GPa).
Hay muchos diseños diferentes de celdas de yunque de diamante pero todos tienen cuatro componentes principales:
Previo a la invención de la celda de yunque de diamante, los aparatos de alta presión estática requerían grandes prensas hidráulicas las cuales pesaban varias toneladas y requerían grandes laboratorios especializados. La simplicidad y compactibilidad de la celda significaban que podía ser acomodada en una amplia variedad de experimentos. Algunas celdas contemporáneas pueden ajustarse fácilmente en un criostato para medidas a baja temperatura, y para usarse 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 rayos X blandos. Esto vuelve a la celda un dispositivo perfecto para experimentos espectroscópicos y para estudios cristalográficos utilizando rayos X duros.
Una variante de la celda de yunque de diamante, la celda de yunque de diamante hidrotermal (HDAC) es utilizada en petrología/geoquímica experimental para el estudio de fluidos acuosos, fundidos de silicato, líquidos inmiscibles, solubilidad mineral y especiación de fluidos acuosos a presiones y temperaturas geológicas. La HDAC es usada en ocasiones para examinar complejos acuosos en disolución utilizando las técnicas de fuente de luz sincrotrónica XANES y EXAFS. El diseño de la HDAC es muy similar al de la DAC, pero está optimizado para estudiar líquidos.[15]
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