Алмаз считается самым твердым природным минералом на Земле, однако его исключительная прочность не означает, что он не может перейти в жидкое состояние. Чтобы расплавить углерод в структуре алмаза, нужны условия, которые практически невозможно создать в обычной лаборатории без специального оборудования. Об этом пишет Sciencealert.
Как ведет себя алмаз перед плавлением?
Новая серия экспериментов показала, что в таких условиях алмаз ведет себя довольно необычно. Его атомы не начинают перестраиваться в другую кристаллическую форму непосредственно перед плавлением. Вместо этого алмаз сохраняет привычную кубическую структуру почти до самого момента перехода в жидкий углерод.
Исследование провела команда физиков под руководством Мариуса Мийо из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в США. Эксперименты проводились на лазерной установке OMEGA Лаборатории лазерной энергетики Университета Рочестера.
Исследователи направляли мощные лазерные импульсы на крошечные образцы алмаза, создавая ударные волны. Это позволило сжать материал до давления от 600 гигапаскалей до 1,8 терапаскаля. Для сравнения: давление в центре Земли составляет около 360 гигапаскалей. Таким образом, в самой экстремальной части эксперимента исследователи создавали условия, значительно превышающие давление в земном ядре.
Прежние эксперименты поставили физиков перед проблемой
Попытки расплавить алмаз проводились раньше. В 2007 году исследователи сообщили о плавлении алмаза под действием лазерной ударной волны при давлении около 750 гигапаскалей. Это было более чем в два раза выше давления во внутреннем ядре Земли и примерно в 7,4 миллиона раз больше атмосферного давления на уровне моря.
В 2009 году команда физиков Ливерморской национальной лаборатории под руководством Джона Эггерта непосредственно измерила температуру плавления алмаза.
Однако с усовершенствованием теоретических моделей возникла проблема. Расчеты на основе квантовой механики предсказывали температуру плавления, которая примерно на 20 процентов отличалась от полученной экспериментально. По словам Мариуса Мийо, исследователи не могли объяснить это несоответствие даже с помощью самых современных компьютерных симуляций.
"Что бы ни делали теоретики – даже с использованием самых современных методов компьютерного моделирования – они не могли воспроизвести результаты экспериментов", – пояснил Мийо.
Теперь физики считают, что проблема заключалась не в теоретических расчетах, а в точности предыдущих экспериментальных измерений.
Должен ли был алмаз превратиться в другую форму углерода?
Перед новым экспериментом оставался еще один важный вопрос. Теоретические модели предсказывали, что примерно при давлении 1 терапаскаль алмаз должен на короткое время перейти в другую форму углерода, известную как BC8, прежде чем окончательно расплавиться.
BC8 имеет иную атомную структуру, чем обычный кубический алмаз. Ранее эксперименты даже интерпретировали полученные данные как возможный признак такого перехода при давлении свыше 900 гигапаскалей. Однако новые компьютерные модели поставили эту интерпретацию под сомнение. Они показывали, что при очень быстром сжатии алмаз может просто не успеть перестроить свою структуру.
Эксперимент 2009 года позволил достичь давления до 1,1 терапаскаля, но тогдашнее оборудование не обладало достаточной чувствительностью, чтобы достоверно определить, возникает ли фаза BC8 перед плавлением. Технологии измерения в экстремальных условиях с тех пор значительно усовершенствовались. Именно это позволило команде Мийо повторить исследование и одновременно наблюдать за температурой, давлением и изменениями атомной структуры.
Новые измерения изменили температуру плавления алмаза
В ходе нового эксперимента ученые не просто сжимали алмаз лазерными ударными волнами. Они одновременно измеряли скорость распространения ударной волны, температуру материала, его отражательную способность и, что особенно важно, атомную структуру с помощью рентгеновского излучения.
Таким образом исследователи смогли определить, что происходит с алмазом непосредственно во время перехода в жидкое состояние.
"Нам удалось взять крошечные образцы алмаза и сжать их ударной волной до температуры, превышающей температуру поверхности Солнца, и до давления, превышающего давление в центре Нептуна и Урана, – и одновременно измерить атомную структуру, температуру, плотность и оптическую отражательную способность", – рассказал Мийо.
Новые данные показали, что температура плавления алмаза составляет примерно 7300 кельвинов при давлении около 1 терапаскаля. Это значительно ниже показателей, полученных в ходе предыдущих экспериментов, и гораздо лучше согласуется с теоретическими расчетами.
Джон Эггерт признал, что предыдущие измерения оказались неточными более чем на 1000 градусов.
"Хотя было неприятно обнаружить, что наши первоначальные измерения температуры были ошибочными более чем на 1000 градусов, увлекательно видеть столь значительное улучшение качества данных благодаря новым методам диагностики", – отметил Эггерт.
Алмаз не успел превратиться в BC8
Рентгеновские измерения дали ответ и на вопрос о предполагаемой фазе BC8. Когда исследователи постепенно повышали давление, сигнал дифракции от алмаза становился все слабее. Это означало, что количество кристаллического материала уменьшалось по мере плавления.
Но пока ученые все еще могли обнаружить атомную структуру твердого материала, она оставалась именно кубической структурой обычного алмаза. Никаких убедительных признаков значительного образования фазы BC8 команда не обнаружила. Вместо этого твердый алмаз и жидкий углерод просто сосуществовали, пока процесс плавления не завершился.
Физики предполагают, что причина заключается в чрезвычайно прочных связях между атомами углерода. Для перехода к BC8 эти связи нужно разорвать и перестроить атомную структуру. На это требуется дополнительная энергия и время.
Эксперимент длится настолько короткий промежуток времени, что алмаз, вероятно, просто не успевает осуществить необходимую перестройку. Он плавится раньше, чем может перейти в предсказанную теорией фазу.
Почему расплавленный алмаз ведет себя еще более странно?
В экстремальных условиях алмаз демонстрирует еще одно свойство, напоминающее поведение обычного льда.
Твердый алмаз оказался менее плотным, чем жидкий углерод, образующийся после его плавления. То есть в определенных условиях твердый алмаз теоретически мог бы плавать на поверхности собственного расплава.
Это необычное свойство, но не уникальное для твердых веществ. Подобный эффект хорошо известен у воды: лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода, поэтому плавает на ее поверхности. Есть и другая неожиданная особенность. В определенном диапазоне температур плавления повышение давления не повышает, а наоборот, понижает температуру, при которой алмаз переходит в жидкое состояние.
Такие свойства важны не только для фундаментальной физики. Они помогают понять, как ведет себя углерод там, где на него действуют давление и температура, недоступные в обычных условиях.
Результаты могут помочь исследователям лучше понять внутреннее строение ледяных гигантов Солнечной системы – Урана и Нептуна. Глубоко внутри этих планет вещество находится под колоссальным давлением и при очень высокой температуре. Условия эксперимента частично воспроизводят параметры, которые могут существовать в недрах таких планет.
Точные знания о поведении углерода в экстремальных условиях позволяют совершенствовать модели внутренней структуры планет и процессов, происходящих глубоко под их верхними слоями.
Новые данные могут помочь лазерному термоядерному синтезу
Практическое значение работы не ограничивается планетологией. Алмаз широко используется в качестве материала для мишеней в исследованиях инерционного термоядерного синтеза.
В таких экспериментах крошечную топливную капсулу сжимают с помощью сверхмощных лазеров. Во время имплозии материалы оболочки могут оказываться под давлением, подобным тому, которое исследователи создавали во время экспериментов с алмазом. Поэтому более точная модель поведения углерода в таких условиях может помочь создавать более надежные компьютерные симуляции термоядерных экспериментов.
Исследователи уже проверили обновленную модель углерода в своих симуляциях. Они установили, что прогнозируемый прирост энергии термоядерного синтеза потенциально может увеличиться в три раза.
По словам Мийо, новые результаты также показывают, что во время имплозии на установке NIF можно использовать несколько более медленные начальные ударные волны и все равно добиться полного плавления алмаза.
Это важно, поскольку более медленная ударная волна позволит сильнее сжать термоядерное топливо. Это, в свою очередь, увеличивает максимальный выход энергии, который можно получить при той же энергии лазера, – пояснил физик.
Таким образом, эксперимент по плавлению алмаза помог не только точнее определить его свойства. Он также дал физикам новую информацию для моделирования вещества внутри далеких планет и может повлиять на дальнейшее развитие исследований управляемого термоядерного синтеза.