【コラム】惑星の中心核の状況を再現する

HP Starは、太陽系最大の惑星の核心部分を模した環境を調査する高圧研究所です。マイクロスケールで莫大な圧力と温度を生み出すことによって、HP Starの科学者は、最も極端な環境における宇宙の豊富な元素の影響を研究することができます。

この研究の目的は、莫大な圧力と温度を受けたときに、基本元素に何が起こるかを理解することによって、惑星の中心部で実際に起こっていることをより深く理解することが可能になります。

上海実験室でそのような高い圧力を達成するために、HP Starの科学者は2つのダイヤモンドの間に固定されているサンプルチャンバー内に水素ガスを閉じ込めます。
小片の金属箔をレーザー穿孔して、20~200ミクロンの試料室を作成する。金属箔は、2つのダイヤモンドの間で正確に押圧されるガスケットとして作用する。

サンプルガスがダイヤモンドの間に閉じ込められると、科学者はダイヤモンドを固定するスチール製のものを締めてゆっくりと圧力を上げることができます。

ダイヤモンドの信じられないほどの硬さと炭素構造のおかげで、チャンバー内で莫大な圧力が作られました。 ダイヤモンドを使用して高圧チャンバーを作成するもう1つの利点は、ダイヤモンドの透明度を利用することです。これによって、科学者がダイヤモンドを通して高圧のチャンバー室に強力な赤外線レーザーを発射することができ、惑星の核で見つけられる極端な温度と圧力を再現します。

Dr. Dalladay-Simpsonは、3Dプリントを使用して,実験を行うためのプラットフォームとして機能するセルホルダーを作成しました。セルホルダーはダイヤモンドを固定させるスチール製品です。 チャンバ内の局所的な圧力と温度が400 GPaと3800℃以上に達する可能性があるため、セルホルダの材料の選択に非常に厳しいです。
この莫大な圧力と温度はダイヤモンドチャンバー内で非常に局所的で短時間しか発生しませんが、信頼性の高い実験を行うためにはセルホルダーの材料の硬さと耐熱性が厳しく要求されます。

Dr. Dalladay-Simpsonによると、「地球のコアは320(GPa)の圧力を持っています。私たちの実験では、400 GPaの圧力に達することができます。これを超えるとダイヤモンドは爆発する傾向があります。」

Polymakerの最新の素材であるPolyMide™PA6-CFは、ラボに最適な素材です。 Dr. Dalladay-Simpsonによると、「カーボンファイバーナイロンの剛性と強度は、非常に堅牢なセルホルダーを生産します。焦点範囲は、ミクロンの許容範囲内で機能し、圧力を上げてもセルホルダーに悪い影響をしません。」

PolyMide™PA6-CFは、熱変形温度が215℃のため、セルホルダーだけでなく、さまざまな種類のカスタムラボ機器に非常に適しています。 Dr. Dalladay-Simpsonによると、「以前は特注ラボ機器の場合、社内の機械工場から2〜3週間のリードタイムを見込んでいました。多くの場合、機器をさらに修正する必要があります。 これらの新素材「PolyMide™PA6-CFGF」は、製造時間を大幅に退縮でき、また優れた、より形成的なラボ機器を製造できます。」

一方、PolyMide™PA6-GFがクライオボックスの作成に使用されました。極低温で実験を行うことができます。 これらのクライオボックスは、試料を凝縮させるのに十分な低温になるまで、ダイヤモンドチップを極低温冷却するために使用されます。

これにより、固体の塩素、硫化水素、その他の高温超伝導体に関する高圧研究実験が可能になります。 この調査は太陽系の惑星の大気条件を深く探ることができます。Dr. Dalladay-Simpsonによると、「3Dプリントされたクライオボックスに液体窒素を直接流し込んで、急速に冷却させます。繊維強化ではないフィラメントはこれらの条件の中でひび割れが発生しましたが、PolyMide™PA6-GFは何の問題もなく、よく機能します。」

Dr.Dalladay-Simpsonの最終目標は、彼の研究室で高圧物理学の聖杯と言われている金属水素を製造することです。