Ученые расплавили алмаз и были удивлены: что пошло не так

В фильмах о ограблениях алмазы иногда называют "льдом", однако эти два твердых вещества на самом деле имеют мало общего. От способа внутреннего расположения их атомов до самого процесса образования они отличаются кардинально.

Однако между ними есть и общая черта. Алмаз, который образуется под колоссальным давлением и при высокой температуре и является по сути самым твердым из известных природных минералов, может таять так же, как и лед. Впрочем, как пишет издание Science Alert, этот процесс протекает в алмазе весьма необычно.

Плавлением алмазов занималась команда физиков под руководством Мариуса Милло из Ливерморской национальной лаборатории имени Э. Лоуренса (LLNL) в США. Они выяснили, что алмаз в основном сохраняет свою привычную кристаллическую структуру вплоть до момента плавления, когда его атомы углерода окончательно хаотизируются. "Мы полагаем, что это происходит потому, что образец просто не успевает перестроиться под действием единичной ударной волны. Он остается "запертым" в своей алмазной структуре", – объясняет Милло.

Расплавить алмаз – задача не из легких, однако за прошедшие годы ученым удалось провести несколько успешных экспериментов. В 2007 году группа исследователей сообщила о плавлении алмаза с помощью лазера, который воздействовал на него ударной волной под давлением 750 гигапаскалей. Это более чем вдвое превышает давление во внутреннем ядре Земли и в 7,4 миллиона раз превышает атмосферное давление на уровне моря. Последующие эксперименты, подробно описанные в научной работе 2009 года под руководством физика LLNL Джона Эггерта, позволили непосредственно измерить температуру плавления алмаза.

Однако по мере совершенствования теоретических расчетов возникла проблема: экспериментальная температура плавления отличалась от квантово-механических предсказаний примерно на 20 процентов. "Что бы ни делали теоретики – даже с применением самых современных методов компьютерного моделирования, – им не удавалось воспроизвести результаты экспериментов", – пояснил Милло.

Между тем оставался открытым еще один вопрос. Согласно теории, под давлением около одного терапаскаля строго упорядоченная атомная решетка алмаза перед полным плавлением должна была бы временно переходить в фазу углерода под названием BC8. Данные предыдущих экспериментов даже трактовались как доказательство такого фазового перехода при давлении свыше 900 гигапаскалей. Впрочем, более свежие симуляции свидетельствуют о том, что формирование фазы BC8 может быть чрезмерно сложным процессом в условиях стремительного сжатия. И хотя в работе 2009 года было продемонстрировано плавление алмаза при давлении до 1,1 терапаскаля, тому эксперименту не хватило чувствительности, чтобы определить, возникает ли предполагаемая фаза BC8 на этом пути.

Однако за годы, прошедшие с момента тех исследований, технологии наблюдения за веществом в таких мимолетных экстремальных условиях существенно улучшились. Поэтому Милло и его команда решили попробовать еще раз. На лазерной установке OMEGA в Рочестерском университете исследователи использовали мощные лазерные импульсы, чтобы пропустить ударные волны через крошечные образцы алмаза, создав давление от 600 гигапаскалей до 1,8 терапаскаля.

Одновременно с этим команда измеряла скорость распространения ударной волны, степень нагрева и отражательную способность алмаза, а также (что наиболее важно) использовала рентгеновское излучение для наблюдения за изменениями кристаллической структуры. "Нам удалось взять микроскопические образцы алмаза и сжать их ударной волной до температур, превышающих температуру поверхности Солнца, и давления, превышающего давление в центре Нептуна и Урана, и при этом измерить атомную структуру, температуру, плотность и оптическое отражение", – поделился Милло.

Новые измерения наконец разрешили противоречие относительно температуры. Ученые зафиксировали температуру плавления алмаза на уровне около 7300 кельвинов при давлении 1 терапаскаль. Это значительно ниже предыдущих экспериментальных показателей и полностью согласуется с теоретическими расчетами, которые долгое время не совпадали со старыми данными. "Хотя было несколько досадно обнаружить, что наши первоначальные измерения температуры имели погрешность более 1000 градусов, очень увлекательно наблюдать такое впечатляющее улучшение качества данных благодаря новым диагностическим методам", – отмечает Эггерт.

Рентгеноструктурный анализ также показал, что именно происходило с кристаллической решеткой алмаза во время плавления – и это самый интересный момент. По мере того как исследователи увеличивали давление, сигнал рентгеновской дифракции алмаза постепенно ослабевал. Это свидетельствовало о том, что в процессе плавления оставалось всё меньше кристаллического алмаза, пока он не исчез полностью.

Однако пока учёным удавалось фиксировать атомную структуру, она сохраняла форму привычной кубической кристаллической решётки. Исследователи не обнаружили никаких признаков существенного образования фазы BC8 – твердый алмаз и жидкий углерод просто сосуществовали до полного завершения процесса. По мнению авторов, это обусловлено механизмами, которые ранее предсказывались в компьютерных симуляциях. Хотя при таком давлении состояние BC8 и является энергетически более выгодным для углерода, его достижение требует разрыва и перестройки чрезвычайно прочных углеродных связей алмаза, что сопряжено с огромными энергетическими затратами. В условиях быстротечного эксперимента алмаз, по-видимому, успевает расплавиться раньше, чем происходит эта трансформация.

И, как ни странно, именно здесь алмаз начинает вести себя подобно льду. При таком экстремальном давлении твердый алмаз имеет меньшую плотность, чем жидкий углерод, в который он превращается, – точно так же, как обычный лед менее плотен, чем жидкая вода. Это означает, что твёрдый алмаз мог бы плавать на поверхности жидкого расплавленного углерода. Отсюда вытекает еще один противоречащий интуиции эффект: на определенном участке интервала плавления увеличение давления на самом деле понижает температуру, при которой алмаз начинает таять.

Все это не только впечатляет и удивляет, но и имеет практическое применение. Подобные эксперименты позволяют лучше понять внутреннее строение планет – ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун, где углерод может находиться в условиях давления и температуры, аналогичных воспроизведённым в ходе эксперимента.

Если же говорить о более земных технологиях, алмазы используются в мишенях для экспериментов по управляемому инерциальному термоядерному синтезу, где крошечные капсулы с топливом сжимаются под аналогичным колоссальным давлением. Более точная информация о поведении углерода во время имплозии таких мишеней позволит усовершенствовать компьютерные модели, применяемые для проектирования термоядерных реакций.

Действительно, в ходе симуляций с использованием обновленной модели углерода исследователи обнаружили, что прогнозируемый выход термоядерной энергии может увеличиться почти втрое. "Наша работа показывает, что мы можем использовать несколько более медленные начальные ударные волны и при этом достигать полного плавления алмаза во время имплозии на установке NIF (National Ignition Facility)", – подытоживает Милло. По мнению ученого, это открывает замечательные перспективы, поскольку более медленная ударная волна делает термоядерное топливо более сжимаемым. Что, в свою очередь, повышает максимальный выход энергии, которую мы можем получить при той же мощности лазера.

Ранее OBOZ.UA рассказывал, как в Швейцарии разработали мини-дроны, питающиеся от громкоговорителя.

Подписывайтесь на каналы OBOZ.UA в Telegram и Viber, чтобы быть в курсе последних событий.