Una prensa de yunque múltiple, o prensa de yunque, es un tipo de dispositivo relacionado con una prensa de máquina que se utiliza para crear presiones extraordinariamente altas dentro de un volumen pequeño.
Las prensas de yunque se utilizan en la ciencia de los materiales y la geología para la síntesis y el estudio de las diferentes fases de los materiales sometidos a presiones extremas, así como para la producción industrial de minerales valiosos, especialmente diamantes sintéticos , ya que imitan las presiones y temperaturas que existen en las profundidades de la Tierra. Estos instrumentos permiten la compresión y el calentamiento simultáneos de muestras de fase sólida de tamaño milimétrico como rocas , minerales , cerámicas , vidrios , materiales compuestos o metales y son capaces de alcanzar presiones superiores a los 25 GPa (alrededor de 250.000 atmósferas) y temperaturas superiores a los 2.500 °C. Esto permite a los físicos minerales y petrólogos que estudian el interior de la Tierra reproducir experimentalmente las condiciones que se encuentran en toda la litosfera y el manto superior , una región que se extiende desde la superficie cercana hasta una profundidad de 700 km. Además de presionar sobre la muestra, el experimento pasa una corriente eléctrica a través de un horno dentro del conjunto para generar temperaturas de hasta 2.200 °C. [1] Aunque las celdas de yunque de diamante y las pistolas de gas ligero pueden acceder a presiones incluso más altas, el aparato de múltiples yunques puede acomodar muestras mucho más grandes, lo que simplifica la preparación de la muestra y mejora la precisión de las mediciones y la estabilidad de los parámetros experimentales.
La prensa de yunque múltiple es una herramienta de investigación relativamente poco común. Las dos prensas del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore se han utilizado para diversos estudios de propiedades de materiales, entre ellos la difusión y deformación de cerámicas y metales, los terremotos de foco profundo y la estabilidad a alta presión de las fases minerales.
El aparato de yunque múltiple 6-8 fue introducido por Kawai y Endo [2] utilizando una esfera de acero dividida suspendida en aceite presurizado, posteriormente modificada [3] para utilizar el ariete hidráulico. En 1990, Walker et al. [4] simplificaron la primera etapa de compresión al introducir el diseño de caja de sombrero extraíble, lo que permitió que las prensas de máquina comunes se convirtieran en sistemas de yunque múltiple. Se han introducido y estandarizado una variedad de diseños de ensamblaje, incluidos el moldeable Walker [5] y los ensamblajes COMPRES [6] . Los avances recientes se han centrado en mediciones in situ y en la estandarización de materiales y calibraciones.
Un aparato multiyunque Kawai típico de celda 8-6 utiliza bombas de aire para presurizar aceite, que impulsa un ariete hidráulico vertical para comprimir una cavidad cilíndrica conocida como sombrerera. Esta cavidad está llena de seis yunques de acero, tres hacia arriba y tres hacia abajo, que convergen en un conjunto de ocho cubos de carburo de tungsteno . Las esquinas interiores de estos cubos están truncadas para adaptarse a un conjunto octaédrico . Estos octaedros varían de 8 mm a 25 mm de borde y generalmente están compuestos de óxido de magnesio u otro material que se deforma de manera dúctil en el rango de condiciones experimentales, para asegurarse de que el experimento esté bajo tensión hidrostática. A medida que este conjunto se comprime, se extruye entre los cubos, formando una junta. Se perfora un cilindro entre dos caras opuestas para acomodar el experimento. Los experimentos que requieren calentamiento están rodeados por un horno cilíndrico de grafito o cromita de lantano , que puede producir un calor considerable por resistencia eléctrica. Sin embargo, el horno de grafito puede resultar problemático a presiones más altas debido a su tendencia a transformarse en diamante. El multiyunque DIA es la principal alternativa a la celda Kawai: utiliza seis yunques para comprimir una muestra cúbica. [4]
En principio, la prensa de múltiples yunques es similar en diseño a una prensa de máquina, excepto que utiliza un aumento de fuerza para amplificar la presión al reducir el área sobre la que se aplica la fuerza:
Esto es análogo a la ventaja mecánica utilizada por una palanca , excepto que la fuerza se aplica linealmente, en lugar de angularmente. Por ejemplo, un multiyunque típico podría aplicar 9.806.650 N (equivalente a una carga de 1000 t ) sobre un conjunto octaédrico de 10 mm, que tiene una superficie de 346,41 mm2, para producir una presión de 28,31 GPa dentro de la muestra, mientras que la presión en el ariete hidráulico es de apenas 0,3 GPa. Por lo tanto, el uso de conjuntos más pequeños puede aumentar la presión en la muestra. La carga que se puede aplicar está limitada por la resistencia a la fluencia por compresión de los cubos de carburo de tungsteno, especialmente para experimentos calentados. Se han logrado presiones incluso más altas, hasta 90 GPa, utilizando cubos de diamante sinterizado de 14 mm en lugar de carburo de tungsteno. [7]
La mayoría de los análisis de muestras se realizan después de que el experimento se apaga y se retira del yunque múltiple. Sin embargo, también es posible realizar mediciones in situ. Se pueden incorporar circuitos, incluidos termopares o resistencias de presión variable, en el conjunto para medir con precisión la temperatura y la presión. La interferometría acústica se puede utilizar para medir velocidades sísmicas a través de un material o para inferir la densidad de los materiales. [8] La resistividad se puede medir mediante espectroscopia de impedancia compleja. [9] Las propiedades magnéticas se pueden medir utilizando resonancia magnética nuclear amplificada en yunques múltiples especialmente configurados. [8] El diseño de yunque múltiple DIA a menudo incluye ventanas de diamante o zafiro integradas en los yunques de tungsteno para permitir que los rayos X o los neutrones penetren en la muestra. [10] Este tipo de dispositivo brinda a los investigadores en fuentes de espalación de neutrones y sincrotrón la capacidad de realizar experimentos de difracción para medir la estructura de las muestras en condiciones extremas. [11] Esto es esencial para observar fases inextinguibles de la materia porque son cinética y termodinámicamente inestables a bajas temperaturas y presiones. [12] La viscosidad y la densidad de las masas fundidas a alta presión se pueden medir in situ utilizando el método de flotación por hundimiento y la tomografía de neutrones. En este método, se implantan en una muestra objetos, como esferas de platino, que tienen diferentes densidades y propiedades de dispersión de neutrones en comparación con el material que las rodea, y se sigue la trayectoria del objeto mientras se hunde o flota a través de la masa fundida. Se pueden utilizar simultáneamente dos objetos con flotabilidad contrastante para calcular la densidad. [8]
La presión, al igual que la temperatura, es un parámetro termodinámico básico que influye en la estructura molecular y, por lo tanto, en las propiedades eléctricas , magnéticas , térmicas , ópticas y mecánicas de los materiales. Los dispositivos como el aparato multiyunque nos permiten observar el efecto de la alta presión en la estructura y las propiedades del material. Las prensas multiyunque se utilizan ocasionalmente en la industria para producir minerales de pureza, tamaño y calidad excepcionales, especialmente diamantes sintéticos de alta presión y alta temperatura (HPHT) y nitruro de boro c. Sin embargo, los multiyunques son dispositivos de alto costo y son muy adaptables, por lo que se utilizan más a menudo como instrumentos científicos. Los multiyunques tienen tres usos científicos principales: 1) sintetizar material nuevo de alta presión; 2) cambiar las fases de un material; 3) examinar las propiedades de los materiales a altas presiones. En la ciencia de los materiales, esto incluye la síntesis de materiales nuevos o útiles con posibles aplicaciones mecánicas o electrónicas, como superconductores de alta presión o sustancias ultraduras. [13] Los geólogos se ocupan principalmente de reproducir las condiciones y los materiales que se encuentran en las profundidades de la Tierra, para estudiar los procesos geológicos que no se pueden observar directamente. Los minerales o las rocas se sintetizan para encontrar qué condiciones son responsables de las diferentes fases y texturas minerales. [ cita requerida ] Los geocientíficos también utilizan multiyunques para medir la cinética de las reacciones , la densidad , la viscosidad , la compresibilidad , la difusividad y la conductividad térmica de la roca en condiciones extremas. [14] [15]
