Ученые раздробили алмаз и разгадали 20-летнюю загадку

Фото из открытых источников

Алмаз славится своей красотой, но его ценность выходит далеко за рамки украшений. Эта исключительно твёрдая форма углерода используется для создания крошечных капсул, содержащих топливо, в экспериментах по инерционному удержанию термоядерного синтеза. Учёные также считают, что алмазы могут образовываться и падать как дождь далеко под поверхностью ледяных гигантов, таких как Нептун и Уран.

В обеих средах алмаз подвергается огромному давлению. Тем не менее, исследователи годами пытались точно определить, как материал реагирует на столь экстремальные условия, поскольку лабораторные измерения и компьютерные моделирования дали противоречивые результаты. Новое исследование, опубликованное в Nature Physics, возможно, наконец решит эту проблему. Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) измерили, как алмаз плавится при давлении в три раза выше, чем в ядре Земли.

«Нам удалось взять крошечные образцы алмазов и сжать их до температур выше поверхности Солнца и давления выше центра Нептуна и Урана — и при этом измерять атомную структуру, температуру, плотность и оптическую отражательность», — сказал автор и учёный LLNL Мариус Милло.

Результаты устраняют два давних расхождения в исследованиях алмазов и тесно сопоставляют экспериментальные измерения с моделированием, основанным на квантовой механике. Результаты также могут иметь важные практические последствия. Применение их к инерционному синтезу может позволить исследователям утроить получение энергии, а более чёткое представление о поведении алмаза при высоком давлении может улучшить модели планетных интерьеров.

20-летняя загадка плавления алмазов

Исследователи LLNL исследовали алмаз в экстремальных условиях на протяжении десятилетий. Около 20 лет назад лабораторный учёный Джон Эггерт и его коллеги провели новаторские эксперименты по плавке алмазов при высоком давлении. Их работа дала необычное наблюдение: алмаз становился плотнее при плавлении.

«Хотя это довольно необычно для большинства материалов, мы все знаем примеры такого поведения», — сказал учёный LLNL Мариус Милло. «Жидкая вода плотнее льда, из-за чего кубики льда плавают. Открытие Джона означает, что алмаз будет плавать в жидком углероде при высоком давлении.»

Хотя эксперименты стали важным прорывом, они также создали серьёзную загадку. Температуры плавления, измеренные в лаборатории, отличались примерно на 20% от температур, предсказанных теоретическими моделями.

«Что бы ни делали теоретики — даже с самыми передовыми методами компьютерного моделирования — они не могли воспроизвести эксперименты», — сказал Мийо.

Ещё один неотвеченный вопрос возник в ходе экспериментов в Национальных лабораториях Сандия. Исследователи использовали мощные магнитные поля машины Z, чтобы сжать крошечные образцы алмаза. Их измерения дали сигналы, указывающие на то, что алмаз может пройти через другую кристаллическую структуру, прежде чем полностью расплавиться в жидкий углерод.

Компьютерные симуляции подтвердили такую интерпретацию. Однако исследователям не удалось напрямую наблюдать атомную структуру сжатого материала, поэтому предлагаемая промежуточная фаза осталась неподтверждённой.

Лазеры показывают, что происходит, когда алмаз плавится

Для изучения обеих загадок команда LLNL проводила лазерно-управляемые динамические эксперименты с компрессией в Лаборатории лазерной энергетики Университета Рочестера (LLE). В лазерном комплексе Омега исследователи использовали интенсивную лазерную энергию для испарения внешнего слоя крошечного образца. Этот процесс вызвал мощную сжимающую ударную волну через алмаз внутри.

Сбор точных измерений был особенно сложным, поскольку экстремальные условия давления длились всего около миллиардной доли секунды. В этот короткий период исследователям нужно было зафиксировать несколько свойств материала, включая рентгеновские дифракционные измерения, способные выявить его атомное расположение.

«Это был первый случай, когда алмаз, сжатый ударным сжатым, был исследован рентгеновской дифракцией вплоть до плавления», — сказал Мийо. «Эти измерения чрезвычайно сложны, потому что углерод — это маленький и лёгкий атом. Он рассеивает очень мало рентгеновских лучей, поэтому сигнал, который нам нужно было измерить, был довольно слабым.»

Исследователи из LLE помогли разработать и поддерживать улучшенное диагностическое оборудование, которое сделало возможными такие измерения. Используя новые инструменты, команда получила обновлённую температуру плавления, которая почти идеально совпадала с компьютерными моделями, что позволило разрешить разногласия, сохранявшееся примерно два десятилетия.

«Хотя было неприятно обнаружить, что наши первоначальные измерения температуры ошибались более чем на 1000 градусов, приятно видеть столь резкое улучшение качества данных с нашей новой диагностикой», — сказал Эггерт. «Ещё лучше, наше первоначальное предположение о плавлении теперь подтверждено напрямую рентгеновской дифракцией.»

Алмаз остаётся алмазом, пока не расплавится

Эксперименты устранили разницу в температуре плавления, но дали иной ответ на вопрос, поднятый результатами Sandia. Вместо того чтобы трансформироваться в ещё одну кристаллическую фазу перед плавлением, углерод сохранял алмазную структуру вплоть до жидкого состояния. Промежуточная фаза во время эксперимента не проявилась.

«Мы считаем, что это потому, что образец не успевает измениться, когда испытывает только один разряд. Он остаётся «запертым» в алмазной структуре», — сказал Милло.

Это различие может иметь значение для будущих экспериментов и симуляций с материалами с чрезвычайно высокой энергетической плотностью. Результаты свидетельствуют о том, что способ подачи удара может влиять на реакцию материала. Только давление и температура могут не определять, какую структуру примет материал.

Алмазная физика может улучшить энергию синтеза

Новое соглашение между теорией и экспериментом имеет непосредственное значение для исследований инерциального удержания термоядерного синтеза. В этих экспериментах мощные лазеры создают ударные волны, которые заставляют крошечную алмазную капсулу взорваться. Сжимающаяся капсула сжимает термоядерное топливо до необычных давлений и температур, необходимых для термоядерных реакций.

Одна из важных целей при начальном ударе — расплавить алмаз в гладкую, однородную жидкость. Неровности имплозии могут мешать процессу сжатия и ослаблять реакцию синтеза. Чтобы гарантировать полное плавление алмазной капсулы, учёные из Национального комплекса зажигания (NIF) LLNL обычно используют относительно сильный начальный удар. Новые измерения показывают, что этот первый шок, возможно, не должен быть таким сильным, как предполагалось ранее.

«Наша работа показывает, что мы можем использовать немного более медленные начальные удары и при этом достичь полного плавления алмаза в наших имплозиях NIF», — сказал Милло. «Это захватывающе, потому что такой медленный удар сделал бы топливо для термоядерного синтеза более сжимаемым. Это, в свою очередь, увеличивает максимальную энергетическую мощность, которую мы могли бы получить при той же энергии лазера.»

Модели предсказывают, что использование этих медленных ударов может потенциально утроить прирост энергии синтеза, если исследователи смогут контролировать другие процессы, снижающие производительность.

Новые подсказки о алмазном дожде внутри ледяных гигантов

Эти открытия также могут помочь учёным понять, что происходит глубоко внутри Нептуна и Урана. Исследователи не могут напрямую наблюдать внутренности этих ледяных гигантов, поэтому сильно зависят от лабораторных экспериментов и компьютерных моделей для реконструкции экстремальных условий под их поверхностью.

Некоторые исследования предполагают, что углерод может кристаллизироваться в алмазы глубоко внутри этих планет. Эти алмазы затем могли проникать внутрь, создавая то, что учёные называют «алмазным дождём». Поскольку новые эксперименты исследовали алмаз при давлении, даже превышающем ожидаемое внутри ледяных гигантов, улучшенные измерения таяния дают планетарным учёным более прочную основу для моделирования формирования Нептуна и Урана и эволюции их внутренней части.

Команда LLNL теперь планирует использовать экспериментальные возможности NIF для изучения алмаза в условиях, которые ещё сложнее воспроизводить. Будущие исследования будут изучать поведение алмазных капсул на поздних стадиях имплозии синтеза и изучать, как долго кристаллическая структура алмаза может оставаться стабильной при воздействии множества ударных волн на материале.