Altas Pressões in-situ e ex-situ : explorando versatilidades para processamento e análise de sistemas vítreos em condições extremas

Abstract

O estudo de vidros e vitrocerâmicas tem se tornado cada vez mais relevante devido ao seu potencial científico e tecnológico. As pesquisas em altas pressões são de grande importância, pois apresentam caráter transformador nas rotas de síntese e processamento de materiais, promovendo avanços significativos na otimização de novas propriedades e aplicações. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo investigar o comportamento de vidros e vitrocerâmicas sob alta pressão, por meio de experimentos realizados in situ e ex situ, empregando técnicas de pequeno e grande volume, com foco em pressões superiores a 8 GPa. Como material referência, foi utilizado o dissilicato de bário (BS2). Foram utilizadas quatro abordagens experimentais distintas: célula de bigorna de diamante (Diamond Anvil Cell – DAC) nos síncrotrons Sirius/Brasil e Elettra na Itália, sistema Multi-Anvil (MA) (UFRGS e ESRF na França), prensa Paris–Edimburgo (PE) (ESRF-França) e câmaras de perfil toroidal (Tor) (UFRGS). A técnica de célula de bigorna de diamante permitiu alcançar pressões de até 20 GPa no sistema BS2, enquanto no sistema dissilicato de lítio (LS2) foi possível atingir 75 GPa. No sistema MA, foram alcançadas pressões de 10,6 GPa, possibilitando o estudo de amostras de grande volume. Essa combinação de técnicas experimentais permitiu a obtenção de resultados e a determinação da equação de estado da fase Sanbornita (Low-BS2, L-BS2), cujo módulo de incompressibilidade (bulk modulus) foi de 45 GPa. Experimentos de cristalização demonstraram que as fases formadas dependem da combinação de pressão, temperatura e rota de processamento, sendo identificadas as fases H-BS2, L-BS2, BaSiO3 e Ba6Si10O26, além de fases ricas e pobres em Ba. Os modos vibracionais das amostras recuperadas foram analisados e apresentaram alterações significativas, especialmente na região dos tetraedros de sílica (Qn’s). Adicionalmente, este trabalho abordou os procedimentos de calibração no sistema MA da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), bem como a calibração de pressão e temperatura na prensa Paris–Edimburgo no European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), permitindo a determinação do gradiente de pressão durante os experimentos. Em conjunto, os resultados obtidos possibilitaram uma avaliação das potencialidades e limitações de cada técnica na investigação de materiais vitrocerâmicos sob alta pressão, fornecendo base para o desenvolvimento de futuras rotas experimentais de síntese e caracterização desses sistemas.

The study of glasses and glass-ceramics has become increasingly relevant due to their scientific and technological potential. High-pressure research is of great importance, as it transforms materials synthesis and processing routes, promoting significant advances in the optimization of new properties and applications. In this context, this work aimed to investigate the behavior of glasses and glass-ceramics under high pressure through in situ and ex situ experiments, employing small- and large-volume techniques, focusing on pressures above 8 GPa. Barium disilicate (BS2) was used as the reference material. Four distinct experimental approaches were employed: a Diamond Anvil Cell (DAC) at the Sirius/Brazil and Elettra synchrotrons in Italy; a Multi-Anvil (MA) system (UFRGS and ESRF in France); a Paris– Edinburgh (PE) press (ESRF-France); and a toroidal profile chamber (TOR) (UFRGS). The diamond anvil cell technique allowed pressures of up to 20 GPa to be reached in the BS2 system, while 75 GPa in the lithium disilicate (LS2) system. Pressures of 10.6 GPa were reached in the MA system, enabling the study of large-volume samples. This combination of experimental techniques allowed for the results and determination of the equation of state for the Sanbornite (Low-BS2, L-BS2) phase, whose bulk modulus was 45 GPa. Crystallization experiments demonstrated that the phases formed depend on the combination of pressure, temperature, and processing route, with the H-BS2, L-BS2, BaSiO3, and Ba6Si10O26 phases being identified, as well as Ba-rich and Ba-poor phases. The vibrational modes of the recovered samples were analyzed and showed significant changes, especially in the region of the silica tetrahedra (Qn's). Additionally, this work addressed the calibration procedures in the MA system at the Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS), as well as the pressure and temperature calibration in the Paris–Edinburgh press at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), allowing the determination of the pressure gradient during the experiments. Taken together, the results obtained enabled an assessment of the potentialities and limitations of each technique in the investigation of glass-ceramic materials under high pressure, providing a basis for the development of future experimental synthesis and characterization routes for these systems.