Вчені розплавили алмаз і були здивовані: що пішло не так

У фільмах про пограбування алмази часом називають "льодом", однак ці дві тверді речовини насправді мають мало спільного. Від способу внутрішнього розташування їхніх атомів до самого процесу утворення вони відрізняються кардинальним чином.

Однак є між ними і спільна риса. Алмаз, який утворюється під колосальним тиском і за високої температури і є по суті найтвердішим із відомих природних мінералів, може плавитись так само, як і лід. Втім, як пише видання Science Alert, цей процес відбувається в алмазу дуже дивно.

Плавленням алмазів займалась комана фізиків під керівництвом Маріуса Мілло з Ліверморської національної лабораторії імені Е. Лоуренса (LLNL) у США. Вони з’ясували, що алмаз здебільшого зберігає свою звичну кристалічну структуру аж до моменту плавлення, коли його атоми вуглецю остаточно хаотизуються. "Ми вважаємо, що так відбувається тому, що зразок просто не встигає перебудуватися під дією поодинокої ударної хвилі. Він залишається "пасткою" у своїй алмазній структурі", – пояснює Мілло.

Розплавити алмаз – завдання не з легких, проте протягом років науковцям вдалося провести декілька успішних експериментів. У 2007 році група дослідників повідомила про плавлення алмазу за допомогою лазера, який впливав на нього ударною хвилею під тиском 750 гігапаскалів. Це більш ніж удвічі перевищує тиск у внутрішньому ядрі Землі та в 7,4 мільйона разів перевищує атмосферний тиск на рівні моря. Наступні експерименти, детально описані в науковій праці 2009 року під керівництвом фізика LLNL Джона Еггерта, дозволили безпосередньо виміряти температуру плавлення алмазу.

Однак зі вдосконаленням теоретичних розрахунків виникла проблема: експериментальна температура плавлення відрізнялася від квантово-механічних передбачень приблизно на 20 відсотків. "Що б не робили теоретики – навіть із застосуванням найсучасніших методів комп'ютерного моделювання, – їм не вдавалося відтворити результати експериментів", – пояснив Мілло.

Тим часом відкритим залишалося ще одне питання. Згідно з теорією, під тиском близько одного терапаскаля суворо впорядкована атомна ґратка алмазу перед повним плавленням мала б тимчасово переходити у фазу вуглецю під назвою BC8. Дані попередніх експериментів навіть трактували як доказ такого фазового переходу за тиску понад 900 гігапаскалів. Утім, свіжіші симуляції свідчать про те, що формування фази BC8 може бути надто складним процесом в умовах стрімкого стиснення. І хоча робота 2009 року продемонструвала плавлення алмазу за тиску до 1,1 терапаскаля, тому експерименту бракувало чутливості, щоб визначити, чи виникає передбачувана фаза BC8 на цьому шляху.

Проте за роки, що минули з моменту тих досліджень, технології спостереження за речовиною в таких швидкоплинних екстремальних умовах суттєво покращилися. Тому Мілло та його команда вирішили спробувати ще раз. На лазерній установці OMEGA в Рочестерському університеті дослідники використали потужні лазерні імпульси, щоб пропустити ударні хвилі крізь крихітні зразки алмазу, створивши тиск від 600 гігапаскалів до 1,8 терапаскаля.

Одночасно з цим команда вимірювала швидкість поширення ударної хвилі, рівень нагріву й відбивальної здатності алмазу, а також (що найважливіше) застосувала рентгенівське випромінювання для спостереження за змінами кристалічної структури. "Ми змогли взяти мікроскопічні зразки алмазу й стиснути їх ударною хвилею до температур, вищих за температуру поверхні Сонця, та тиску, що перевищує тиск у центрі Нептуна й Урана, і при цьому виміряти атомну структуру, температуру, щільність та оптичне відбиття", – поділився Мілло.

Нові вимірювання нарешті розв'язали суперечність щодо температури. Вчені зафіксували температуру плавлення алмазу на рівні близько 7300 Кельвінів при тиску 1 терапаскаль. Це суттєво нижче за попередні експериментальні показники й повністю узгоджується з теоретичними розрахунками, які тривалий час не збігалися зі старими даними. "Хоча було дещо прикро виявити, що наші початкові вимірювання температури мали похибку у понад 1000 градусів, надзвичайно захоплює спостерігати таке вражаюче поліпшення якості даних завдяки новим діагностичним методам", – зазначає Еггерт.

Рентгеноструктурний аналіз також розкрив, що саме відбувалося з кристалічною ґраткою алмазу під час плавлення – і це найцікавіший момент. У міру того як дослідники нарощували тиск, сигнал рентгенівської дифракції алмазу поступово слабшав. Це свідчило про те, що в процесі плавлення залишалося дедалі менше кристалічного алмазу, поки він не зник повністю.

Проте доки вченим вдавалося фіксувати атомну структуру, вона зберігала форму звичної кубічної кристалічної ґратки. Дослідники не виявили жодних ознак суттєвого формування фази BC8 – твердий алмаз і рідкий вуглець просто співіснували до повного завершення процесу. На думку авторів, це зумовлено механізмами, які раніше передбачалися в комп'ютерних симуляціях. Хоча за такого тиску стану BC8 і є енергетично вигіднішим для вуглецю, його досягнення вимагає розриву та перебудови надзвичайно міцних вуглецевих зв'язків алмазу, що потребує величезних енергетичних витрат. В умовах швидкоплинного експерименту алмаз, схоже, встигає розплавитися раніше, ніж відбувається ця трансформація.

І, як не дивно, саме тут алмаз починає поводитися подібно до льоду. За такого екстремального тиску твердий алмаз має меншу щільність, ніж рідкий вуглець, у який він перетворюється, – так само як і звичайний лід менш щільний за рідку воду. Це означає, що твердий алмаз міг би плавати на поверхні рідкого розплавленого вуглецю. Звідси випливає ще один контрінтуїтивний ефект: на певній ділянці інтервалу плавлення збільшення тиску насправді знижує температуру, за якої алмаз починає танути.

Усе це не лише вражає та дивує, а й має практичне застосування. Подібні експерименти дають змогу краще зрозуміти внутрішню будову планет – крижаних гігантів, таких як Уран і Нептун, де вуглець може перебувати в умовах тиску й температури, аналогічних відтвореним під час досліду.

Якщо ж говорити про більш земні технології, алмази використовують у мішенях для експериментів із керованого інерціального термоядерного синтезу, де крихітні капсули з паливом стискаються під аналогічним колосальним тиском. Точніша інформація про поведінку вуглецю під час імплозії таких мішеней дозволить покращити комп'ютерні моделі, які застосовують для проектування термоядерних реакцій.

Справді, під час симуляцій із використанням оновленої моделі вуглецю дослідники виявили, що прогнозований вихід термоядерної енергії може зрости майже втричі. "Наша праця показує, що ми можемо використовувати дещо повільніші початкові ударні хвилі й при цьому досягати повного плавлення алмазу під час імплозії на установці NIF (National Ignition Facility)", – підсумовує Мілло. На думку вченого, це відкриває чудові перспективи, оскільки повільніша ударна хвиля робить термоядерне паливо більш здатним до стиснення. Що, у свою чергу, підвищує максимальний вихід енергії, яку ми можемо отримати за тієї ж самої потужності лазера.

Раніше OBOZ.UA розповідав, як у Швейцарії розробили мінідрони, які живляться від гучномовця.

Підписуйтесь на канали OBOZ.UA в Telegram і Viber, щоб бути в курсі останніх подій.