Prensa de yunque

Una prensa de yunques múltiples, o prensa de yunques, es un tipo de dispositivo relacionado con una prensa mecánica que se utiliza para crear presiones extraordinariamente altas dentro de un volumen pequeño.

Las prensas de yunque se utilizan en ciencia de materiales y geología para la síntesis y el estudio de las diferentes fases de los materiales bajo presión extrema, 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 sólidas de tamaño milimétrico, como rocas , minerales , cerámica , vidrios , materiales compuestos o metales , y son capaces de alcanzar presiones superiores a 25 GPa (alrededor de 250 000 atmósferas) y temperaturas que superan los 2500  °C. Esto permite a los físicos de 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 abarca desde la superficie hasta una profundidad de 700  km. Además de comprimir la muestra, el experimento hace pasar una corriente eléctrica a través de un horno dentro del conjunto para generar temperaturas de hasta 2200  °C. ^{[ 1 ]} Aunque las celdas de yunque de diamante y los cañones de gas ligero pueden alcanzar presiones aún mayores, 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 múltiples yunques 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, incluyendo la difusión y deformación de cerámicas y metales, terremotos de foco profundo y la estabilidad a alta presión de fases minerales.

El aparato multiyunque 6-8 fue introducido por Kawai y Endo ^{[ 2 ]} utilizando una esfera de acero dividida suspendida en aceite a presión, posteriormente modificado ^{[ 3 ]} para usar el pistón hidráulico. En 1990, Walker et al. ^{[ 4 ]} simplificaron la primera etapa de compresión al introducir el diseño de caja de sombreros extraíble, lo que permitió convertir las prensas de máquinas ordinarias en sistemas multiyunque. Se han introducido y estandarizado diversos diseños de ensamblaje, incluyendo el Walker refractable ^{[ 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 típico de celda Kawai 8-6 de múltiples yunques utiliza bombas de aire para presurizar aceite, que acciona un pistón hidráulico vertical para comprimir una cavidad cilíndrica conocida como caja de sombreros. Esta cavidad está llena de seis yunques de acero, tres orientados 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 encajar en un conjunto octaédrico . Estos octaedros varían de 8 mm a 25  mm de arista y suelen estar compuestos de óxido de magnesio u otro material que se deforma dúctilmente en el rango de condiciones experimentales, para asegurar 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 alojar el experimento. Los experimentos que requieren calentamiento se realizan dentro de un horno cilíndrico de grafito o cromita de lantano , que puede generar un calor considerable por resistencia eléctrica. Sin embargo, el horno de grafito puede presentar problemas a presiones elevadas debido a su tendencia a transformarse en diamante. La celda 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 tiene un diseño similar al de una prensa mecánica, con la diferencia de que utiliza la amplificación de fuerza para aumentar la presión reduciendo el área sobre la que se aplica la fuerza:

${\displaystyle P={\frac {F}{A}}}$

Esto es análogo a la ventaja mecánica que utiliza una palanca , excepto que la fuerza se aplica linealmente, en lugar de angularmente. Por ejemplo, un yunque múltiple típico podría aplicar 9.806.650 N (equivalente a una carga de 1000 t ) sobre un conjunto octaédrico de 10  mm, que tiene un área superficial de 346,41 mm², para producir una presión de 28,31 GPa dentro de la muestra, mientras que la presión en el pistón hidráulico es de tan solo 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 compresión de los cubos de carburo de tungsteno, especialmente para experimentos con calentamiento. Se han logrado presiones aún mayores, de 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 haya enfriado y retirado del multiyunque. Sin embargo, también es posible realizar mediciones in situ. Se pueden incorporar circuitos, incluidos termopares o resistencias variables de presión, 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 multiyunques configurados especialmente. ^{[ 8 ]} El diseño de multiyunques DIA a menudo incluye ventanas de diamante o zafiro integradas en los yunques de tungsteno para permitir que los rayos X o neutrones penetren en la muestra. ^{[ 10 ]} Este tipo de dispositivo proporciona a los investigadores en fuentes de sincrotrón y espalación de neutrones la capacidad de realizar experimentos de difracción para medir la estructura de las muestras en condiciones extremas. ^{[ 11 ]} Esto es esencial para observar fases de materia no extinguibles porque son cinética y termodinámicamente inestables a bajas temperaturas y presiones. ^{[ 12 ]} La viscosidad y la densidad de los fundidos a alta presión se pueden medir in situ utilizando el método de flotación y hundimiento y la tomografía de neutrones. En este método, se implantan en una muestra objetos, como esferas de platino, que tienen diferente densidad y propiedades de dispersión de neutrones en comparación con el material que los rodea, y se rastrea la trayectoria del objeto a medida que se hunde o flota a través del fundido. Se pueden usar dos objetos con flotabilidad contrastante simultáneamente para calcular la densidad. ^{[ 8 ]}

La presión, al igual que la temperatura, es un parámetro termodinámico fundamental que influye en la estructura molecular y, por lo tanto, en las propiedades eléctricas , magnéticas , térmicas , ópticas y mecánicas de los materiales. Dispositivos como el aparato de múltiples yunques permiten observar el efecto de la alta presión sobre la estructura y las propiedades de los materiales. Las prensas de múltiples yunques 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 dispositivos de múltiples yunques son costosos y muy adaptables, por lo que se utilizan con mayor frecuencia como instrumentos científicos. Los dispositivos de múltiples yunques tienen tres usos científicos principales: 1) sintetizar nuevos materiales a alta presión; 2) cambiar las fases de un material; 3) examinar las propiedades de los materiales a altas presiones. En ciencia de los materiales, esto incluye la síntesis de materiales novedosos o útiles con potenciales aplicaciones mecánicas o electrónicas, como superconductores de alta presión o sustancias ultraduras. ^{[ 13 ]} Los geólogos se dedican principalmente a reproducir las condiciones y los materiales que se encuentran en las profundidades de la Tierra, para estudiar procesos geológicos que no pueden observarse directamente. Se sintetizan minerales o rocas para determinar qué condiciones son responsables de las diferentes fases y texturas minerales. Los geocientíficos también utilizan yunques múltiples 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 ]}

• La prensa multiyunque de 1000 toneladas en Caltech ( versión archivada )
• Prensa de 500 toneladas en Oxford
• Walker, D. (1991). "Lubricación, juntas y precisión en experimentos con múltiples yunques" (PDF) . American Mineralogist . 76 : 1092–1100 .