Spinelle spielen sowohl in geowissenschaftlicher Hinsicht als auch in technischen Anwendungen eine wichtige Rolle. So besteht der Großteil der Übergangszone zwischen dem oberen und unteren Erdmantel aus Wadsleyit und Ringwoodit, zwei Mineralen, die in der Spinellstruktur kristallisieren. In der Industrie sind hauptsächlich Ferritspinelle aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften von Bedeutung, aber auch aluminium- und magnesiumführende Spinelle werden in der Feuerfest-Industrie benötigt. Spinelle bilden eine große Mineralgruppe mit der allgemeinen Formel AB2X4, wobei A für zweiwertige und B für dreiwertige Kationen steht. Die X-Position wird vorwiegend von Sauerstoff besetzt. Spinelle kristallisieren in der kubischen Raumgruppe Fd-3m (Nr. 227). In einer Elementarzelle befinden sich acht Formeleinheiten. Die 32 Anionen bilden eine kubisch dichteste Kugelpackung, zwischen den Anionen befinden sich sechzehn Oktaederlücken und acht Tetraederlücken. Die Strukturen von drei Spinellen, Magnetit (FeFe2O4), Franklinit (ZnFe2O4) und Gahnit (ZnAl2O4) wurden als Funktion von Temperatur und Druck am Hamburger Synchrotronstrahlungslabor (im folgenden HASYLAB genannt) untersucht. Es wurden energiedisperive Pulver-Röntgenbeugungs-Experimente an zwei verschiedenen Multi-Anvil-Pressen durchgeführt. An der MAX80 (F2.1 Beamline) wurden isotherme Experimente in einem Druckbereich bis 5 GPa und Temperaturen von 298, 500, 700, 900 und 1100 K durchgeführt. An der MAX200x (W2 Beamline) wurden die Spinelle bis 15 GPa untersucht. Die Auswertung der Beugungsspektren erfolgte mit der Rietveld-Methode. Aus den Druck-Volumendaten wurde mit Hilfe der Birch-Murnaghan Zustandsgleichung zweiter und dritter Ordnung das isotherme Kompressionsmodul berechnet, mit den zusätzlichen Temperaturdaten wurden die thermische Ausdehnung bei unterschiedlichen Drücken sowie der thermische Grüneisenparameter bestimmt. Am Deutschen GeoForschungsZentrum wurden die anisotropen elastischen Module an einem Gahnit Einkristall der gleichen Probencharge mit Brillouin-Streuung untersucht. In einem Druckbereich bis 21,4 GPa wurden die Geschwindigkeiten der Kompressions- und Scher-wellen in einer Diamantstempelzelle gemessen. Daraus wurden mit Hilfe der Christoffel-gleichung die elastischen Eigenschaften C11, C12, C44 berechnet und das adiabatische Kompressionsmodul KS bestimmt. C'11 und C'12, die Änderung der Module mit dem Druck, besitzen bis zu einem Druck von 15 GPa ähnliche Werte, während C'44 einen deutlich geringeren Wert aufweist. Oberhalb von 15 GPa steigen die Werte für C'11 und C'12 deutlich an während C'44 eine negative Steigung aufweist. Die Änderung der elastischen Eigenschaften deutet auf einen Phasenübergang hin. Bei Raumtemperatur wird die Phasenumwandlung von Gahnit bei ca. 15 GPa beobachtet. Es notwendig, weitere Untersuchungen an Gahnit durchzuführen, um die Natur dieses Phasenübergang zu charakterisieren. Bei Magnetit ist die Curie-Temperatur sowohl durch eine Volumenänderung als auch durch eine Änderung der temperaturabhängigen Kompressionsmodule zu erkennen. Unterhalb der Curie-Temperatur ist das Kompressionsmodul von Magnetit durch zusätzliche magnetische Wechselwirkungen höher als oberhalb. Bei Temperaturerhöhung wird die Curie-Temperatur durch eine Volumenzunahme bei Wegfall der zusätzlichen magnetischen Momente beobachtet.
Spinels play important roles in geosciences as well as in technical applications. About 65 % of the transition zone between Earth's upper and lower mantle consists of wadsleyite and ringwoodite, both minerals adopting the spinel structure. In industry, foremost ferritic spinels due to their magnetic properties are used, but also aluminum- and magnesium-bearing spinels are required in refractory industries. Spinels are a large mineral group with the general formula AB2X4. A stands for divalent and B for trivalent cations, X is mostly occupied by oxygen. Spinels crystallize in the cubic space group Fd-3m (No. 227). There are eight formula units in each unit cell. The anions form a cubic closest packing with sixteen octahedral and eight tetrahedral vacancies. Magnetite (FeFe2O4), franklinite (ZnFe2O4) and gahnite (ZnAl2O4), all three adopting the spinel structure, were investigated at the HASYLAB. The experiments were carried out at MAX80 (F2.1 Beamline) and at MAX200x (W2 Beamline). Both presses use energy-dispersive X-ray diffraction. Isothermal experiments were performed up to 15 GPa, compression experiments using MAX80 apparatus were conducted up to 5 GPa at temperatures of 298, 500, 700, 900 and 1100K. The data were evaluated using Rietveld-refinement. The bulk moduli for each sample were calculated using the second and third order Birch-Murnaghan equation of state, respectively. In addition, the thermal expansion and thermal Grüneisenparameter were calculated from the high-pressure/high- temperature data. At the GFZ German Research Center for Geosciences a single crystal of the same gahnite sample was investigated using Brillouin- scattering. The velocities of the p- and s-waves were measured up to 21.4 GPa in a diamond anvil cell. The elastic constants were derived using the Christoffel equation. The pressure derivatives C'11 and C'12 have similar values up to 15 GPa, whereas C'44 shows a clearly lower value of. Above 15 GPa the values for C'11 and C'12 increases significantly, while C'44 changed to a negative slope. This behaviour indicates a phase-transition. More specified investigations of gahnite are necessary to verify this transition to get a better understanding of the phase transition behaviour. The Curie-temperature of magnetite is observed in volume change as well as in a change of the temperature-dependent bulk moduli. Below the Curie temperature, the bulk modulus of magnetite is higher due to magnetic interactions than above. The Curie temperature is observed during increasing temperature in an increase in volume due to the disappearance of the magnetic momentums.
