Ученые расплавили алмаз неожиданным способом

Фото из открытых источников

Распространенность углерода, прочные ковалентные связи и его значение для инерциального термоядерного синтеза и планетологии послужили стимулом для обширного исследования его фазовой диаграммы при терапаскальных давлениях. Однако кривая плавления и существование фаз, отличных от алмаза, остаются неопределенными.

Тот факт, что алмаз — самый твердый из известных природных минералов на Земле — способен плавиться, может удивить многих. Но даже в этом отношении алмаз ведет себя весьма странно, как утверждают исследователи из группы физиков во главе с Мариусом Милло из Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора (LLNL) в США. Результаты проведенного ими исследования были опубликованы в журнале Nature Physics.

По сути, он сохраняет свою привычную алмазную кристаллическую структуру вплоть до момента плавления, когда его атомы углерода начинают беспорядочно перемещаться.

«Мы считаем, что это происходит потому, что образец не успевает измениться, когда подвергается лишь одному удару», — говорит Милло. «Он остается „запертым“ в структуре алмаза».

Расплавить алмаз — задача непростая, но за прошедшие годы было проведено несколько экспериментов, в которых это удалось. В 2007 году группа ученых сообщила о плавлении алмаза с помощью лазера, воздействовавшего на него ударной волной под давлением 750 гигапаскалей — более чем в два раза превышающим атмосферное давление во внутреннем ядре Земли и в 7,4 миллиона раз превышающим атмосферное давление на уровне моря.

В последующих экспериментах, подробно описанных в статье 2009 года, проведенных физиком из LLNL Джоном Эггертом, была непосредственно измерена температура 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 используя самые передовые методы компьютерного моделирования — им не удавалось воспроизвести эксперименты», — говорит Милло.

Между тем, оставался без ответа еще один вопрос. Теория предсказывала, что при температуре около терапаскаля плотно упорядоченная атомная решетка алмаза должна временно перейти в форму углерода, называемую BC8, перед полным плавлением.

Более ранние эксперименты даже интерпретировались как доказательство этого перехода при давлении выше примерно 900 гигапаскалей. Однако новые модели предполагают, что образование BC8 может быть слишком сложным для осуществления во время быстрого сжатия.

Хотя в статье 2009 года было продемонстрировано плавление алмаза при давлении до 1,1 терапаскаля, эксперимент не обладал достаточной чувствительностью, чтобы определить, появилась ли предсказанная фаза BC8 в процессе плавления.

Однако за годы, прошедшие с тех экспериментов, технология наблюдения за материей в этих мимолетных экстремальных условиях значительно улучшилась. Поэтому Милло и его команда предприняли еще одну попытку.

Используя лазерную установку OMEGA в Рочестерском университете, исследователи с помощью мощных лазерных импульсов создавали ударные волны в крошечных образцах алмазов, формируя давление от 600 гигапаскалей до 1,8 терапаскалей.

Одновременно с этим команда измеряла скорость распространения ударной волны, температуру и отражательную способность алмаза, а также – что особенно важно – использовала рентгеновские лучи для наблюдения за изменением кристаллической структуры.

«Нам удалось взять крошечные образцы алмазов и подвергнуть их ударному сжатию до температур выше, чем на поверхности Солнца, и до давлений выше, чем в центре Нептуна и Урана, — и при этом измерить атомную структуру, температуру, плотность и оптическую отражательную способность», — говорит Милло.

Новые измерения позволили решить проблему с температурой.

Они определили температуру плавления алмаза примерно в 7300 Кельвинов и 1 терапаскаль, что значительно ниже старых экспериментальных измерений и хорошо согласуется с теоретическими расчетами, которые упорно отказывались соответствовать старым результатам.

«Хотя было неприятно обнаружить, что наши первоначальные измерения температуры отличались более чем на 1000 градусов, очень радует такое существенное улучшение качества данных благодаря новой диагностике», — говорит Эггерт.

Рентгеновские лучи также показали, что произошло с кристаллической структурой алмаза в процессе его плавления – и вот тут начинается самое интересное.

По мере того, как исследователи увеличивали давление, сигнал рентгеновской дифракции алмаза постепенно ослабевал, указывая на то, что по мере плавления оставалось все меньше и меньше кристаллического алмаза, пока он полностью не исчез.

Но пока команда могла обнаружить атомную структуру, она оставалась в привычной кубической кристаллической решетке. Исследователи не обнаружили никаких признаков существенной фазы BC8 — твердый алмаз и жидкий углерод просто сосуществовали до завершения процесса.

Они предполагают, что это, вероятно, связано с механизмами, предложенными в более ранних симуляциях. Хотя углерод может предпочитать фазу BC8 при соответствующих давлениях, для ее достижения требуется разрыв и перестройка чрезвычайно прочных углеродных связей алмаза — энергетически затратный процесс.

В условиях кратковременного эксперимента алмаз, по-видимому, плавится до того, как произойдет трансформация.

И, как ни странно, именно здесь алмаз начинает вести себя немного как лед.

Под таким экстремальным давлением твердый алмаз имеет меньшую плотность, чем жидкий углерод, в который он превращается при плавлении, — подобно тому, как обычный лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода.

Это означает, что твердый алмаз может плавать на поверхности расплавленного углерода. Это также приводит к еще одному парадоксальному эффекту: в части диапазона температур плавления повышение давления фактически снижает температуру, при которой плавится алмаз.

Всё это очень круто и очень странно, но у этого есть и практическое применение.

Подобные эксперименты могли бы рассказать нам о внутреннем строении ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун, где углерод может испытывать условия давления и температуры, аналогичные тем, которые воссоздаются в эксперименте.

Однако, если говорить о более близких примерах, алмаз используется в качестве мишени в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу, где крошечные топливные капсулы сжимаются под столь же огромным давлением. Более точная информация о поведении углерода при имплозии этих мишеней, следовательно, могла бы улучшить компьютерные модели, используемые для проектирования экспериментов по термоядерному синтезу.

Действительно, в ходе моделирования с использованием обновленной модели углерода исследователи обнаружили, что прогнозируемый прирост энергии термоядерного синтеза может увеличиться в три раза.

«Наша работа показывает, что мы могли бы использовать несколько более медленные начальные ударные волны и при этом добиться полного расплавления алмаза в наших имплозиях на основе NIF», — говорит Милло. «Это очень интересно, потому что такой более медленный ударный эффект сделает термоядерное топливо более сжимаемым. Это, в свою очередь, увеличит максимальную энергетическую отдачу, которую мы можем получить при той же энергии лазера».