Este trabalho foi financiado pela NASA concessão NNX11AC68G e da Carnegie Institution de Washington. Agradeço Chi Zhang por sua ajuda com a coleta de dados. Agradeço também Anat Shahar e Valerie Hillgren para útil opiniões deste manuscrito.

1. Prepare Começando Materiais e Chambers Amostra <ol><li> Preparar dois tipos de materiais de partida, (1) uma mistura de olivina de silicato natural e pó de ferro metálico com 10% em peso de enxofre (metal / proporções de silicato que variam de 4 a 30% em peso) para simular infiltração de liga de ferro líquido em uma matriz de silicato sólido durante a formação do núcleo inicial de um pequeno corpo planetário, e (2) uma mistura homogénea de ferro puro finamente fundamentada e sulfureto de ferro para determinar a planetária cristalização núcleo interior. </li><li> Moer os materiais de partida para a mistura em pó fino com menos de etanol em um almofariz de ágata durante uma hora e seca-se a 100 ° C. </li><li> Carregar o material de partida para um teor de MgO sinterizado ou de Al 2 O 3 cápsula (caracteristicamente entre 1,5 mm de diâmetro e 1,5 de comprimento), e, em seguida, colocá-lo em um conjunto de células de alta pressão para os experimentos de multi-bigorna. </li><li> Carregar a mistura de Fe-FeS numa pequena câmara de amostra (tipicamente 100 m de diâmetro e 25 &amp; #181; m de espessura) perfurado em uma junta rénio preindented para os experimentos de aquecimento a laser na célula de diamante-bigorna. Sandwich a mistura de Fe-FeS entre camadas de NaCl, que servem como isolantes térmicos. </li></ol> 2. Experimentos de alta pressão e alta temperatura no aparelho Multi-bigorna <ol><li> O conjunto de células de alta pressão de múltiplos bigorna consiste de um octaedro de MgO como um meio de pressão, uma manga de ZrO2 como o isolamento térmico, e um aquecedor de rénio cilíndrica ou grafite. A cápsula de amostra se encaixa no interior do aquecedor. Um termopar tipo C é inserido na câmara de amostras para determinar a temperatura da amostra. </li><li> Colocar a montagem de elevada pressão num aparelho de alta pressão de múltiplos bigorna para a pressurização. </li><li> O aparelho multi-bigorna consiste de uma prensa hidráulica de 1500 ton e um módulo de pressão, que contém um anel de retenção com seis cunhas impulso removível formando uma cavidade cúbica do centro 15. A cavidade h cúbicoouses oito cubos de carboneto de tungstênio com cantos truncados. Os cubos truncadas, que convergem para a montagem de células octaedro, são separados uns dos outros por juntas compressíveis. O carneiro hidráulico transmite a força eficaz para a montagem de uma amostra de duas fases de configuração de bigorna. Figura 1 ilustra o procedimento experimental para o ensaio de multi-bigorna. </li><li> Pressurizar a amostra a uma pressão entre 2-27 GPa alvo à temperatura ambiente com base na correcção ponto da curva de calibração da pressão 16, e depois aquecê-lo a temperaturas experimentais até 2300 ° C por meio de aquecimento de resistência eléctrica; manter a experiência, a uma temperatura constante para a duração da experiência, e desligar a energia para temperar a amostra para a temperatura ambiente no fim da experiência. </li><li> Solte a pressão lentamente abrindo a válvula de óleo hidráulico e recuperar a carga experimental. </li></ol> 3. Experiências Laser-aquecimento, oDiamond-bigorna celular <ol><li> Pressão em uma célula de diamante bigorna é gerado entre duas único cristal bigornas de diamante gem-qualidade (cerca de 0,25 quilates cada). Nós usamos uma célula diamante bigorna simétrica para impulsionar as bigornas opostos perfeitamente alinhadas com um sistema de pistão-cilindro. A célula é capaz de gerar pressões correspondentes às condições de pressão do núcleo de terra 17. Alta temperatura é conseguida por aquecimento a laser na célula de diamante-bigorna. Usamos um sistema em Advance Photon Source (APS), o qual é baseado num laser de técnica de aquecimento de dupla face e consiste de dois lasers de fibra óptica, para aquecer a amostra a partir de ambos os lados, e dois sistemas de espectroradiometria para as medições de temperatura em ambos os lados 18. O sistema é concebido para gerar uma grande mancha de aquecimento (25 m de diâmetro), para minimizar os gradientes de temperatura das amostras, tanto radialmente e axialmente na bigorna de diamante, e maximizar a estabilidade de aquecimento. Figura 2 mostra esquemáticas da configuração experimental para o experimento de laser de aquecimento na célula diamante bigorna com uma imagem do ponto de laser-aquecimento. </li><li> Alinhar as bigornas de diamante com 300 mM culets preindent e uma junta de rénio para uma espessura de 30 um a partir de uma espessura inicial de 250 um. </li><li> Perfurar um buraco na junta preindented com um diâmetro de 120 um, no centro, e carregar a amostra no orifício. </li><li> Pressurizar a amostra a uma pressão desejada, à temperatura ambiente, e, em seguida, a amostra é aquecida através do aumento da potência do laser, tendo as medições de temperatura e in situ medições de difracção de raios-X, com a instalação de sincrotrão. </li><li> Desactivar a potência do laser para extinguir a amostra quando a fusão parcial é detectada por uma mudança na radiação térmica e a partir do padrão de difracção. </li><li> Recuperar a amostra aquecida para a caracterização ex situ. </li></ol> 4. Recuperação de Amostra e Análise <ol><li> MoUNT amostra multi-bigorna recuperado em resina epóxi e polir sua superfície usando um conjunto de diamantes em pó grão de 150 ï ¿½ a 0,25 mM. </li><li> Carbono-revestir a superfície da amostra e carregá-lo para a câmara de amostra de um instrumento Zeiss viga Auriga FIB / SEM (Figura 3A) para análise. </li><li> Alinhar a amostra para o ponto coincidente de FIB e SEM, a uma distância de trabalho de 5 mm (Figura 3B), e, em seguida, a amostra premill para expor um volume de 15 x 20 x 20 um 3 (Figura 3C). </li><li> Tome MEV em um intervalo de 25 nm usando a fatia &amp; função de visualização no instrumento Zeiss Auriga FIB / SEM (gravar automaticamente uma série de imagens depois de moagem ion-beam com resolução de imagem típica de cerca de 35 nm). </li><li> Entrada dos arquivos de dados de imagens para um software de visualização e reconstruir imagens em 3D para visualizar a distribuição derreter e conectividade na amostra saciada (Figura 3D). </li></ol>

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	<li>Wetherill, G. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+the+terrestrial+planets.">Formation of the terrestrial planets.</a> Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 18, 77-113 (1980).</li><li>Chambers, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Planetary+accretion+in+the+inner+Solar+System.">Planetary accretion in the inner Solar System.</a> Earth and Planetary Science Letters. 223, 241-252 (2004).</li><li>Greenwood, R. C., Franchi, I. A., Jambon, A., Buchanan, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Widespread+magma+oceans+on+asteroidal+bodies+in+the+early+Solar+System.">Widespread magma oceans on asteroidal bodies in the early Solar System.</a> Nature. 435, 916-918 (2005).</li><li>Mann, U., Frost, D. J., Rubie, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+wetting+ability+of+Si-bearing+liquid+Fe-alloys+in+a+solid+silicate+matrix-percolation+during+core+formation+under+reducing+conditions.">The wetting ability of Si-bearing liquid Fe-alloys in a solid silicate matrix-percolation during core formation under reducing conditions.</a> Physics of the Earth and Planetary Interiors. 167 (1-2), 1-7 (2008).</li><li>Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., &amp;Langenhorst, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Percolative+core+formation+in+planetesimals.">Percolative core formation in planetesimals.</a> Earth and Planetary Science Letters. 273, 132-137 (2008).</li><li>Walte, N. P., Becker, J. K., Bons, P. D., Rubie, D. C., Frost, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Liquid-distribution+and+attainment+of+textural+equilibrium+in+a+partially-molten+crystalline+system+with+a+high-dihedral-angle+liquid+phase.">Liquid-distribution and attainment of textural equilibrium in a partially-molten crystalline system with a high-dihedral-angle liquid phase.</a> Earth and Planetary Science Letters. 262, 517-532 (2007).</li><li>Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., Langenhorst, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interconnectivity+of+Fe-O-S+liquid+in+polycrystalline+silicate+perovskite+at+lower+mantle+conditions.">Interconnectivity of Fe-O-S liquid in polycrystalline silicate perovskite at lower mantle conditions.</a> Physics of Earth and Planetary Interiors. 161, 170-176 (2007).</li><li>Halliday, A. N., Wood, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+did+Earth+accrete?.">How did Earth accrete?.</a> Science. 325, 44-45 (2009).</li><li>Yoder, C. F., Konopliv, A. S., Yuan, D. N., Standish, E. M., Folkner, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluid+core+size+of+Mars+from+detection+of+the+solar+tide.">Fluid core size of Mars from detection of the solar tide.</a> Science. 300, 299-303 (2003).</li><li>Margot, J. L., Peale, S. J., Jurgens, R. F., Slade, M. A., Holin, I. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large+longitude+libration+of+Mercury+reveals+a+molten+core.">Large longitude libration of Mercury reveals a molten core.</a> Science. 316, 710-714 (2007).</li><li>Fei, Y., Bertka, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+interior+of+Mars.">The interior of Mars.</a> Science. 308, 1120-1121 (2005).</li><li>Williams, J. -. P., Nimmo, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+evolution+of+the+Martian+core:+Implications+for+an+early+dynamo.">Thermal evolution of the Martian core: Implications for an early dynamo.</a> Geology. 32, 97-100 (2004).</li><li>Smith, D. E., Zuber, M. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gravity+field+and+internal+structure+of+Mercury+from+MESSENGER.">Gravity field and internal structure of Mercury from MESSENGER.</a> Science. 336, 214-217 (2012).</li><li>Weber, R. C., Lin, P. -. Y., Garnero, E. J., Williams, Q., Lognonn&#233;, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Seismic+detection+of+the+Lunar+core.">Seismic detection of the Lunar core.</a> Science. 331, 309-312 (2011).</li><li>Li, J., Fei, Y., Carlson, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+constraints+on+core+composition.">Experimental constraints on core composition.</a> Geochemistry of the Mantle and Core. , 521-546 (2007).</li><li>Bertka, C. M., Fei, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mineralogy+of+the+Martian+interior+up+to+core-mantle+boundary+pressures.">Mineralogy of the Martian interior up to core-mantle boundary pressures.</a> Journal of Geophysical Research. 102, 5251-5264 (1997).</li><li>Tateno, S., Hirose, K., Ohishi, Y., Tatsumi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+structure+of+iron+in+Earth's+inner+core.">The structure of iron in Earth's inner core.</a> Science. 330, 359-361 (2010).</li><li>Prakapenka, V. B., Kubo, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advanced+flat+top+laser+heating+system+for+high+pressure+research+at+GSECARS:+application+to+the+melting+behavior+of+germanium.">Advanced flat top laser heating system for high pressure research at GSECARS: application to the melting behavior of germanium.</a> High Pressure Research. 28, 225-235 (2008).</li><li>Minarik, W. G., Ryerson, F. J., Watson, E. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Textural+entrapment+of+core-forming+melts.">Textural entrapment of core-forming melts.</a> Science. 272, 530-533 (1996).</li><li>Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., Langenhorst, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+oxygen+and+sulphur+on+the+dihedral+angle+between+Fe-O-S+melt+and+silicate+minerals+at+high+pressure:+Implications+for+Martian+core+formation.">The effect of oxygen and sulphur on the dihedral angle between Fe-O-S melt and silicate minerals at high pressure: Implications for Martian core formation.</a> Earth and Planetary Science Letters. 232, 379-392 (2005).</li><li>Fei, Y., Bertka, C. M., Finger, L. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-pressure+iron-sulfur+compound,+Fe3S2,+and+melting+relations+in+the+system+Fe-FeS+at+high+pressure.">High-pressure iron-sulfur compound, Fe3S2, and melting relations in the system Fe-FeS at high pressure.</a> Science. 275, 1621-1623 (1997).</li><li>Fei, Y., Li, J., Bertka, C. M., Prewitt, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structure+type+and+bulk+modulus+of+Fe3S,+a+new+iron-sulfur+compound.">Structure type and bulk modulus of Fe3S, a new iron-sulfur compound.</a> American Mineralogist. 85, 1830-1833 (2000).</li><li>Li, J., Fei, Y., Mao, H. K., Hirose, K., Shieh, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sulfur+in+the+Earth's+inner+core.">Sulfur in the Earth's inner core.</a> Earth and Planetary Science Letters. 193, 509-514 (2001).</li><li>Chen, B., Li, J., Hauck, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-ideal+liquidus+curve+in+the+Fe-S+system+and+Mercury's+snowing+core.">Non-ideal liquidus curve in the Fe-S system and Mercury's snowing core.</a> Geophysical Research Letter. 35, L07201 (2008).</li><li>Buono, A. S., Walker, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Fe-rich+liquidus+in+the+Fe-FeS+system+from+1+bar+to+10+GPa.">The Fe-rich liquidus in the Fe-FeS system from 1 bar to 10 GPa.</a> GeochimicaCosmochimicaActa. 75, 2072-2087 (2011).</li><li>Ito, E., Yamazaki, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pressure+generation+and+investigation+of+the+post-perovskite+transformation+in+MgGeO3by+squeezing+the+Kawai-cell+equipped+with+sintered+diamond+anvils.">Pressure generation and investigation of the post-perovskite transformation in MgGeO3by squeezing the Kawai-cell equipped with sintered diamond anvils.</a> Earth and Planetary Science Letters. 293 (1-2), 84-89 (2010).</li><li>Roberts, J. J., Kinney, J. H., Siebert, J., Ryerson, F. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fe-Ni-S+melt+permeability+in+olivine:+implications+for+planetary+core+formation.">Fe-Ni-S melt permeability in olivine: implications for planetary core formation.</a> Geophysical Research Letter. 34, L14306 (2007).</li><li>Wang, Y., Lesher, C., Fiquet, G., Rivers, M., Nishiyama, N., Siebert, J., Roberts, J., Morard, G., Gaudio, S., Clark, A., Watson, H., Menguy, N., Guyot, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-situ+high+P,+T+X-ray+microtomographic+imaging+during+large+deformation:+a+newtechnique+for+studying+mechanical+behavior+of+multi-phase+composites.">In-situ high P, T X-ray microtomographic imaging during large deformation: a newtechnique for studying mechanical behavior of multi-phase composites.</a> Geosphere. 7, 40-45 (2011).</li><li>Watson, H. C., Roberts, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Connectivity+of+core+forming+melts:+Experimental+constraints+from+electrical+conductivity+and+X-ray+tomography.">Connectivity of core forming melts: Experimental constraints from electrical conductivity and X-ray tomography.</a> Physics of Earth and Planetary Interiors. 186, 172-182 (2011).</li><li>Fei, Y., Ricolleau, A., Frank, M., Mibe, K., Shen, G., Prakapenka, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+an+internally+consistent+pressure+scale.">Toward an internally consistent pressure scale.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 9182-9186 (2007).</li></ol>

Não há conflito de interesse declarados.

As técnicas para as experiências de várias bigornas estão bem estabelecidos, gerando pressão e temperatura por um período prolongado de tempo de execução estável e produzindo relativamente grande volume de amostra. É uma poderosa ferramenta para simular os processos interiores dos planetas, especialmente para experimentos, tais como derretimento de percolação, que exigem certo volume da amostra. A limitação é a pressão máxima possível, até 27 GPa com carboneto de tungstênio (WC) bigornas, atingindo a...

Os planetas terrestres como a Terra, Vênus, Marte e Mercúrio são corpos planetários diferenciados constituídos por um manto de silicato e um núcleo metálico. O modelo de formação do planeta moderno sugere que os planetas terrestres foram formadas a partir de colisões de embriões planetários Lua-a-do tamanho de Marte cultivadas a partir de planetesimais ou maior porte quilômetros através de interações gravitacionais 1-2. Os planetesimais foram provavelmente já diferenciado uma vez que as ligas de ferro metálicos atingido temperatura de fusão devido ao aquecimento a partir de fontes como o decaimento radioativo de isótopos de vida curta, como 26 Al e 60 Fe, impacto e liberação de energia potencial 3. É importante compreender a forma como o metal líquido percolado através de uma matriz de silicato durante a diferenciação precoce. Diferenciação do planeta poderia prosseguir através da separação líquido-líquido eficiente ou por percolação de metal líquido em uma matriz de silicato sólida, dependendodo tamanho e da temperatura no interior dos corpos planetários. A percolação de metal líquido na matriz de silicato sólido é provavelmente um processo dominante na diferenciação inicial, quando a temperatura alta não é suficiente para fundir a totalidade do corpo planetário. A eficiência de filtração depende do ângulo diedro, determinada pelas energias interfaciais das interfaces sólidas-sólido e sólido-líquido. Podemos simular este processo em laboratório através da realização de ensaios de alta pressão e de alta temperatura sobre uma mistura de liga de ferro e silicato. Estudos recentes têm 4-7 investigaram a capacidade de molhagem de ligas de ferro líquido numa matriz sólida de silicato a alta pressão e temperatura. Eles usaram um método convencional para medir as distribuições de freqüência relativa de ângulos diedros aparentes entre o metal líquido temperado e grãos de silicato nas secções transversais polidas para a determinação do verdadeiro ângulo diedro. O método convencional produz relativamente grande uncertainties no ângulo diedro medido e possível viés em função das estatísticas de amostragem. Aqui apresentamos uma nova técnica de imagem para visualizar a distribuição de metal líquido na matriz de silicato em três dimensões (3D) por combinação de moagem FIB e de alta resolução de emissão de campo SEM imagem. A nova técnica de imagem fornece a determinação precisa do ângulo diedro e medida quantitativa da fracção de volume e da conectividade da fase líquida. O núcleo da Terra foi formado em um tempo relativamente curto (&lt;100 milhões de anos) 8, presumivelmente em estado líquido em sua história. Marte e Mercúrio também têm núcleos de líquidos com base em energia solar deformação das marés a partir dos dados de rastreamento de rádio Mars Global Surveyor 9 e padrões salpico radar ligados à rotação planetária 10, respectivamente. Modelos de evolução térmica e experimentos de fusão de alta pressão sobre materiais nucleares apoiar mais um núcleo marciano líquido11-12. Dados recentes sonda MESSENGER fornecem evidências adicionais para um núcleo líquido de Mercúrio 13. Mesmo a pequena Lua provavelmente tem um pequeno núcleo líquido com base em recente reanálise dos Appollo sismogramas lunares 14. Núcleos planetários líquidos são consistentes com alta energia de acreção na fase inicial da formação do planeta. O arrefecimento subsequente pode levar à formação de núcleo interior para alguns planetas. Os dados sísmicos revelaram que a terra consiste de um núcleo de líquido exterior e um núcleo interior. A formação do núcleo interior tem implicações importantes para a dinâmica do núcleo accionado por convecções térmicas e de composição e a geração do campo magnético do planeta. A solidificação do núcleo interior é controlado pela temperatura de fusão dos materiais do núcleo e da evolução térmica do núcleo. Formação do núcleo de planetas terrestres partilhada caminhos semelhantes acreção e a composição química dos núcleos é considerado abe dominados por ferro com cerca de 10% em peso de elementos leves, tais como o enxofre (S), de silício (Si), oxigénio (O), carbono (C) e hidrogénio (H) 15. É essencial ter o conhecimento das relações de fusão dos sistemas relevantes para o núcleo, tal como Fe-FeS, Fe-C, Fe, Fe-FeO-FEH, e Fe-FeSiat alta pressão, a fim de compreender a composição de os núcleos planetários. Neste estudo, iremos demonstrar experiências realizadas no dispositivo multi-bigorna e célula-diamante bigorna, simulando as condições de os núcleos planetários. As experiências fornecem informação sobre a sequência de cristalização e elemento de particionamento entre o metal sólido e líquido, que conduz a uma melhor compreensão das características da cristalização do núcleo interior e a distribuição dos elementos de luz entre o núcleo interior e o núcleo cristalino líquido para fora. Para estender as relações de fusão a pressões muito elevadas, desenvolvemos novas técnicas para analisar as amostras temperadas recuperados de laser-aquecido diamante-aexperiências com células nvil. Com moagem precisão FIB do ponto de laser-aquecimento, que determinam a fusão utilizando critérios textura têmpera fotografada com alta resolução MEV e análise química quantitativa com um detector de desvio de silício em submicron resolução espacial. Aqui destacamos dois conjuntos de experimentos para simular a formação de núcleo planetário por percolação de metálico derretem na matriz silicato durante acreção cedo e cristalização do núcleo interno de resfriamento subseqüente. A simulação tem como objetivo compreender os dois processos importantes durante a evolução do núcleo planetário.

<table><tbody><tr><td>Multi-anvil apparatus</td><td>Geophysical Lab</td><td>Home Builder</td><td> </td></tr><tr><td>Diamond-anvil cell</td><td>Geophysical Lab</td><td>Home Builder</td><td> </td></tr><tr><td>Laser-heating system</td><td>APS GSECARS</td><td>Designed by beamline staff</td><td> Public beamline</td></tr><tr><td>FIB/SEM Crossbeam</td><td>Carl Zeiss Ltd.</td><td>Auriga</td><td> </td></tr><tr><td>Avizo 3D software</td><td>VSG</td><td>Fire for materials science</td><td> </td></tr></tbody></table>

simulation of the planetary interior differentiation processes in the laboratory

Um interior planetária é, sob condições de alta pressão e de alta temperatura e tem uma estrutura em camadas. Existem dois importantes processos que levaram a que a estrutura em camadas, (1) de percolação de metal líquido numa matriz sólida por silicato planeta diferenciação, e (2) a cristalização do núcleo interior por planeta subsequente arrefecimento. Conduzimos experiências de alta pressão e de alta temperatura para simular os processos em laboratório. Formação de núcleo planetário percolativo depende da eficiência de filtração de fusão, o qual é controlado pelo (molhagem) diedro. A simulação de percolação inclui o aquecimento da amostra a alta pressão a uma temperatura-alvo à qual liga de ferro-enxofre é fundido, enquanto o silicato continua sólida, e, em seguida, determinar o verdadeiro ângulo de diedro para avaliar o modelo de migração de líquido numa matriz cristalina de visualização 3D. A renderização de volume 3D é obtido por corte a amostra recuperado com um feixe focalizado de íons (FIB) e taimagem rei SEM de cada fatia com um instrumento viga FIB / SEM. O segundo conjunto de experiências foi concebido para compreender a cristalização e o elemento de distribuição do núcleo interno entre o núcleo externo líquido e sólido núcleo interior por meio da determinação da temperatura de fusão e o elemento de repartição de pressão elevada. As experiências de fusão são efectuadas no aparelho multi-bigorna até 27 GPa e estendida a uma maior pressão na célula de diamante-bigorna com laser de aquecimento. Nós desenvolvemos técnicas para recuperar pequenas amostras aquecidas por moagem precisão FIB e obter imagens de alta resolução do local laser-aquecido que mostram fusão textura em alta pressão. Ao analisar a composição química do líquido coexistindo e fases sólidas, nós precisamente determinar a curva liquidus, fornecendo os dados necessários para compreender o processo de cristalização do núcleo interno.

Realizamos uma série de experimentos usando misturas de San Carlos olivina e Fe-FeS liga de metal com diferentes proporções de silicato de metal, como as matérias-primas. O teor de S do metal é de 10% em peso de S. Aqui mostramos alguns resultados representativos obtidos em experiências realizadas de alta pressão a 6 GPa e 1800 ° C, utilizando-se bem calibrados conjuntos de multi-bigorna 15. Sob as condições experimentais, a liga metálica Fe-FeS é completamente derretido eo silicato (San Carlos ol...

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Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

As experiências de alta pressão e de alta temperatura aqui descritas imitar processos de diferenciação interior planeta. Os processos são visualizados e melhor compreendido por imagens de alta resolução 3D e análise química quantitativa.

Simulação do Planetary Interior Diferenciação processos laboratoriais

A planetary interior is under high-pressure and high-temperature conditions and it has a layered structure. There are two important processes that led to ...

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Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

11.5K visualizações.  Carnegie Institution of Washington.  As experiências de alta pressão e de alta temperatura aqui descritas imitar processos de diferenciação interior planeta. Os processos são visualizados e melhor compreendido por imagens de alta resolução 3D e análise química quantitativa. 

Vídeo: Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust aggregates with sizes up to ~10 cm and porosities up to 70% can be collided. One of the drop towers is primarily used for very low impact speeds down to below 0.01 m/sec and makes use of a double release mechanism. Collisions are recorded in stereo-view by two high-speed cameras, which fall along the glass vacuum tube in the center-of-mass frame of the two dust aggregates. The other free-fall tower makes use of an electromagnetic accelerator that is capable of gently accelerating dust aggregates to up to 5 m/sec. In combination with the release of another dust aggregate to free fall, collision speeds up to ~10 m/sec can be achieved. Here, two fixed high-speed cameras record the collision events. In both drop towers, the dust aggregates are in free fall during the collision so that they are weightless and match the conditions in the early Solar System.

We present a technique to achieve low-velocity to intermediate-velocity collisions between fragile dust aggregates in the laboratory. For this purpose, two vacuum drop-tower setups have been developed that allow collision velocities between &#60;0.01 and ~10 m/sec. The collision events are recorded by high-speed imaging.

Laboratório Gota Torres para a Simulação Experimental de Colisões Dust-agregados no sistema solar precoce

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust ...

Engenharia

Laboratory Simulation of an Iron(II)-rich Precambrian Marine Upwelling System to Explore the Growth of Photosynthetic Bacteria

A conventional concept for the deposition of some Precambrian Banded Iron Formations (BIF) proceeds on the assumption that ferrous iron [Fe(II)] upwelling from hydrothermal sources in the Precambrian ocean was oxidized by molecular oxygen [O2] produced by cyanobacteria. The oldest BIFs, deposited prior to the Great Oxidation Event (GOE) at about 2.4 billion years (Gy) ago, could have formed by direct oxidation of Fe(II) by anoxygenic photoferrotrophs under anoxic conditions. As a method for testing the geochemical and mineralogical patterns that develop under different biological scenarios, we designed a 40 cm long vertical flow-through column to simulate an anoxic Fe(II)-rich marine upwelling system representative of an ancient ocean on a lab scale. The cylinder was packed with a porous glass bead matrix to stabilize the geochemical gradients, and liquid samples for iron quantification could be taken throughout the water column. Dissolved oxygen was detected non-invasively via optodes from the outside. Results from biotic experiments that involved upwelling fluxes of Fe(II) from the bottom, a distinct light gradient from top, and cyanobacteria present in the water column, show clear evidence for the formation of Fe(III) mineral precipitates and development of a chemocline between Fe(II) and O2. This column allows us to test hypotheses for the formation of the BIFs by culturing cyanobacteria (and in the future photoferrotrophs) under simulated marine Precambrian conditions. Furthermore we hypothesize that our column concept allows for the simulation of various chemical and physical environments &#8212; including shallow marine or lacustrine sediments.

Laboratory Simulation of an IronII-rich Precambrian Marine Upwelling System to Explore the Growth of Photosynthetic Bacteria

We simulated a Precambrian ferruginous marine upwelling system in a lab-scale vertical flow-through column. The goal was to understand how geochemical profiles of O2 and Fe(II) evolve as cyanobacteria produce O2. The results show the establishment of a chemocline due to Fe(II) oxidation by photosynthetically produced O2.

Laboratório de Simulação de um ferro (II) rico em Precambrian Marinha Ressurgência do sistema para explorar o crescimento de bactérias fotossintéticas

A conventional concept for the deposition of some Precambrian Banded Iron Formations (BIF) proceeds on the assumption that ferrous iron [Fe(II)] upwelling ...

Ambiente

Metal-silicate Partitioning at High Pressure and Temperature: Experimental Methods and a Protocol to Suppress Highly Siderophile Element Inclusions

Estimates of the primitive upper mantle (PUM) composition reveal a depletion in many of the siderophile (iron-loving) elements, thought to result from their extraction to the core during terrestrial accretion. Experiments to investigate the partitioning of these elements between metal and silicate melts suggest that the PUM composition is best matched if metal-silicate equilibrium occurred at high pressures and temperatures, in a deep magma ocean environment. The behavior of the most highly siderophile elements (HSEs) during this process however, has remained enigmatic. Silicate run-products from HSE solubility experiments are commonly contaminated by dispersed metal inclusions that hinder the measurement of element concentrations in the melt. The resulting uncertainty over the true solubility and metal-silicate partitioning of these elements has made it difficult to predict their expected depletion in PUM. Recently, several studies have employed changes to the experimental design used for high pressure and temperature solubility experiments in order to suppress the formation of metal inclusions. The addition of Au (Re, Os, Ir, Ru experiments) or elemental Si (Pt experiments) to the sample acts to alter either the geometry or rate of sample reduction respectively, in order to avoid transient metal oversaturation of the silicate melt. This contribution outlines procedures for using the piston-cylinder and multi-anvil apparatus to conduct solubility and metal-silicate partitioning experiments respectively. A protocol is also described for the synthesis of uncontaminated run-products from HSE solubility experiments in which the oxygen fugacity is similar to that during terrestrial core-formation. Time-resolved LA-ICP-MS spectra are presented as evidence for the absence of metal-inclusions in run-products from earlier studies, and also confirm that the technique may be extended to investigate Ru. Examples are also given of how these data may be applied.

We present a procedure to determine the metal-silicate partitioning of siderophile elements, emphasizing techniques that suppress the formation of metal inclusions in experiments for the noble metals. The results of these experiments are used to demonstrate the effect of core-formation on the highly siderophile element composition of the mantle.

Partitioning Metal-silicato em alta pressão e temperatura: Métodos experimentais e um protocolo para suprimir Altamente sidérophile Elemento Inclusões

Estimates of the primitive upper mantle (PUM) composition reveal a depletion in many of the siderophile (iron-loving) elements, thought to result from ...

Química

Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems

Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment allows for testing of various proposed ocean / hydrothermal fluid chemistries that could have driven reactions toward the origin of life in environments on the early Earth, early Mars, or even other worlds such as the icy moons of the outer planets. We show experiments that include growth of chemical garden structures under anoxic conditions simulating the early Earth, inclusion of trace components of phosphates / organics in the injection solution to incorporate them into the structure, a switch of the injection solution to introduce a secondary precipitating anion, and the measurement of membrane potentials generated by chemical gardens. Using this method, self-assembling chemical garden structures were formed that mimic the natural chimneys precipitated at submarine hydrothermal springs, and these precipitates can be used successfully as flow-through reactors by feeding through multiple successive &#8220;hydrothermal&#8221; injections.

We describe chemical garden formation via injection experiments that allow for laboratory simulations of natural chemical garden systems that form at submarine hydrothermal vents.

Jardins químicos como Fluxo através Reatores simulando Naturais sistemas hidrotérmicos

Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment ...

An Experimental Protocol for Studying Mineral Effects on Organic Hydrothermal Transformations

Organic-mineral interactions are widely occurring in hydrothermal environments, such as hot springs, geysers on land, and the hydrothermal vents in the deep ocean. Roles of minerals are critical in many hydrothermal organic geochemical processes. Traditional hydrothermal methodology, which includes using reactors made of gold, titanium, platinum, or stainless-steel, is usually associated with the high cost or undesired metal catalytic effects. Recently, there is a growing tendency for using the cost-effective and inert quartz or fused silica glass tubes in hydrothermal experiments. Here, we provide a protocol for carrying out organic-mineral hydrothermal experiments in silica tubes, and we describe the essential steps in the sample preparation, experimental setup, products separation, and quantitative analysis. We also demonstrate an experiment using a model organic compound, nitrobenzene, to show the effect of an iron-containing mineral, magnetite, on its degradation under a specific hydrothermal condition. This technique can be applied to study complex organic-mineral hydrothermal interactions in a relatively simple laboratory system.

Earth-abundant minerals play important roles in the natural hydrothermal systems. Here, we describe a reliable and cost-effective method for the experimental investigation of organic-mineral interactions under hydrothermal conditions.

Um protocolo Experimental para estudar efeitos Mineral sobre transformações hidrotermais orgânicos

Organic-mineral interactions are widely occurring in hydrothermal environments, such as hot springs, geysers on land, and the hydrothermal vents in the ...

Atom Probe Tomography Analysis of Exsolved Mineral Phases

Element diffusion rates and temperature/pressure control a range of fundamental volcanic and metamorphic processes. Such processes are often recorded in lamellae exsolved from host mineral phases. Thus, the analysis of the orientation, size, morphology, composition and spacing of exsolution lamellae is an area of active research in the geosciences. The conventional study of these lamellae has been conducted by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), and more recently with focused ion beam (FIB)-based nanotomography, yet with limited chemical information. Here, we explore the use of atom probe tomography (APT) for the nanoscale analysis of ilmenite exsolution lamellae in igneous titanomagnetite from ash deposits erupted from the active Soufri&#232;re Hills Volcano (Montserrat, British West Indies). APT allows the precise calculation of interlamellar spacings (14&#8211;29 &#177; 2 nm) and reveals smooth diffusion profiles with no sharp phase boundaries during the exchange of Fe and Ti/O between the exsolved lamellae and the host crystal. Our results suggest that this novel approach permits nanoscale measurements of lamellae composition and interlamellar spacing that may provide a means to estimate the lava dome temperatures necessary to model extrusion rates and lava dome failure, both of which play a key role in volcanic hazard mitigation efforts.

Analysis of the morphology, composition, and spacing of exsolution lamellae can provide essential information to understand geological processes related to volcanism and metamorphism. We present a novel application of APT for the characterization of such lamellae and compare this approach to the conventional use of electron microscopy and FIB-based nanotomography.

Análise de tomografia de sonda solucionado de fases minerais exresolvidas

Element diffusion rates and temperature/pressure control a range of fundamental volcanic and metamorphic processes. Such processes are often recorded in ...

Simulation of Early Earth Hydrothermal Chimneys in a Thermal Gradient Environment

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the emergence of life. The growth of hydrothermal chimneys in a thermal gradient environment within an early Earth vent system was successfully simulated by using different hydrothermal simulants, such as sodium sulfide, which were injected into an early Earth ocean simulant containing dissolved ferrous iron. Moreover, an apparatus was developed to sufficiently cool the ocean simulant to near 0 &#176;C in a condenser vessel immersed in a cold water bath while injecting a sulfide solution at hot to room temperatures, effectively creating an artificial chimney structure in a temperature gradient environment over a period of a few hours. Such experiments with different chemistries and variable temperature&#160;gradients resulted in a variety of morphologies in the chimney structure. The use of ocean and hydrothermal fluid simulants at room temperature resulted in vertical chimneys, whereas the combination of a hot hydrothermal fluid and cold ocean simulant inhibited the formation of robust chimney structures. The customizable 3D printed condenser created for this study acts as a jacketed reaction vessel that can be easily modified and used by different researchers. It will allow the careful control of injection rate and chemical composition of vent and ocean simulants, which should help accurately simulate prebiotic reactions in chimney systems with thermal gradients similar to those of natural systems.

The goal of this protocol is to form simulated hydrothermal chimneys via chemical garden injection experiments and introduce a thermal gradient across the inorganic precipitate membrane, using a 3D printable condenser that can be reproduced for educational purposes.

Simulação das primeiras chaminés hidrotérmicas da Terra em um ambiente de gradiente térmico

Deep sea hydrothermal vents are self-organizing precipitates generated from geochemical disequilibria and have been proposed as a possible setting for the ...

Simulating Temperature in a Soil Incubation Experiment

The study of warming impact on soils requires a realistic and accurate representation of temperature. In laboratory incubation studies, a widely adopted method has been to render constant temperatures in multiple chambers, and via comparisons of soil responses between low- and high-temperature chambers, to derive the warming impact on soil changes. However, this commonly used method failed to imitate both the magnitude and amplitude of actual temperatures as observed in field conditions, thus potentially undermining the validity of such studies. With sophisticated environmental chambers becoming increasingly available, it is imperative to examine alternative methods of temperature control for soil incubation research. This protocol will introduce a state-of-the-art environmental chamber and demonstrate both conventional and new methods of temperature control to improve the experimental design of soil incubation. The protocol mainly comprises four steps: temperature monitoring and programming, soil collection, laboratory incubation, and warming effect comparison. One example will be presented to demonstrate different methods of temperature control and the resultant contrasting warming scenarios; that is, a constant temperature design referred to as stepwise warming (SW) and simulated in situ temperature design as gradual warming (GW), as well as their effects on soil respiration, microbial biomass, and extracellular enzyme activities. In addition, we present a strategy to diversify temperature change scenarios to meet specific climate change research needs (e.g., extreme heat). The temperature control protocol and the recommended well-tailored and diversified temperature change scenarios will assist researchers in establishing reliable and realistic soil incubation experiments in the laboratory.

Laboratory soil warming experiments usually employ two or more constant temperatures in multiple chambers. By presenting a sophisticated environmental chamber, we provide an accurate temperature control method to imitate the magnitude and amplitude of in situ soil temperature and improve the experimental design of soil incubation studies.

Simulando a temperatura em um experimento de incubação do solo

The study of warming impact on soils requires a realistic and accurate representation of temperature. In laboratory incubation studies, a widely adopted ...

Measuring Electrical Conductivity to Study the Formation of Brines Under Martian Conditions

This paper describes a protocol to design experiments to study the formation of brines under Martian conditions and monitor the process with electrical conductivity measurements. We used the Engineering Qualification Model (EQM) of Habitability: Brines, Irradiation, and Temperature (HABIT)/ExoMars 2022 instrument for the experiment setup but we provide a brief account of constructing a simple and inexpensive electrical conductivity measurement setup. The protocol serves to calibrate the electrical conductivity measurements of the salt deliquescence into brine in a simulated Martian environment. The Martian conditions of temperature (-70 &#176;C to 20 &#176;C), relative humidity (0% to 100%) and pressure (7 - 8 mbar) with carbon-dioxide atmosphere were simulated in the SpaceQ Mars simulation chamber, a facility at the Lule&#229; University of Technology, Sweden. The hydrate form of the known amount of salt accommodated between a pair of electrodes and thus the electrical conductivity measured depends predominantly on its water content and the temperature and relative humidity of the system. Electrical conductivity measurements were carried out at 1 Hz while exposing salts to a continuously increasing relative humidity (to force transitioning through various hydrates) at different Martian temperatures. For demonstration, a day-night cycle at Oxia Planum, Mars (the landing site of ExoMars 2022 mission) was recreated.

The objective of the protocol is to monitor the hydration of salts and the brine formation process. Electrical conductivity is used as the measurement technique. The experiments are performed in a simulated Martian environment of temperature, relative humidity and carbon-dioxide atmosphere.

This paper describes a protocol to design experiments to study the formation of brines under Martian conditions and monitor the process with electrical ...

Surrogate Model Development for Digital Experiments in Welding

The manufacturing industry heavily relies on welding processes to join materials, forming integral components across various sectors. Many aspects will influence the quality of the weld and finally affect the structure integrity of the weldment. Welding-induced residual stress, a consequence of the thermal cycling inherent in these processes, significantly impacts the structural integrity and performance of fabricated components. Understanding and predicting this residual stress is crucial for enhancing the reliability and durability of welded structures. However, quickly assessing a welding setup in digital experiments presents significant challenges, as a traditional simulation may be time-consuming. This research outlines the application of a workflow to construct an artificial neural network-based surrogate model to predict welding-induced residual stress. The model is built using data automatically generated from finite element simulations through Python scripts based on macro functions. Unlike traditional methods that rely on manual preprocessing and finite element simulations, this approach significantly reduces the time and effort required for simulation setup and data extraction, enhancing overall efficiency. By ensuring that all simulation steps are performed consistently through macro functions, the method eliminates human-induced variability, leading to improved reproducibility. Furthermore, the automation of data generation makes it possible to create extensive datasets necessary for training machine learning models, overcoming the limitations of labor-intensive traditional techniques. The workflow contains four main steps: build a standard weld finite element simulation and validate the finite element simulation results against experimental data; develop scripts for large dataset generation using a macro function that records the preprocessing and postprocessing steps of the finite element simulation; use the scripts to generate the required data; develop surrogate models and test their performance. The artificial neural network demonstrated high accuracy in predicting stress levels, closely aligning with simulation results on the test dataset and a relative root mean square error of 0.0024.

This protocol outlines a general workflow for constructing an artificial neural network for welding simulation using datasets generated automatically through Python scripts with macro functions. The workflow is validated against a benchmark case involving single-pass, straight-line welding. The surrogate model's predictive accuracy shows a strong agreement with finite element simulations.

Desenvolvimento de modelo substituto para experimentos digitais em soldagem

The manufacturing industry heavily relies on welding processes to join materials, forming integral components across various sectors. Many aspects will ...