Вчені розплавили алмаз, але він повівся зовсім не так, як очікували

Алмаз вважається найтвердішим природним мінералом на Землі, однак його надзвичайна міцність не означає, що він не може перейти в рідкий стан. Щоб розплавити вуглець у структурі алмазу, потрібні умови, які практично неможливо створити у звичайній лабораторії без спеціального обладнання. Про це пише Sciencealert.

Як алмаз поводиться перед плавленням?

Нова серія експериментів показала, що за таких умов алмаз поводиться досить незвично. Його атоми не починають перебудовуватися в іншу кристалічну форму безпосередньо перед плавленням. Натомість алмаз зберігає знайому кубічну структуру майже до самого моменту переходу в рідкий вуглець.

Дослідження провела команда фізиків під керівництвом Маріуса Мійо з Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса у США. Експерименти виконували на лазерній установці OMEGA Лабораторії лазерної енергетики Університету Рочестера.

Дослідники спрямовували потужні лазерні імпульси на крихітні зразки алмазу, створюючи ударні хвилі. Це дозволило стиснути матеріал до тиску від 600 гігапаскалів до 1,8 терапаскаля. Для порівняння, тиск у центрі Землі становить близько 360 гігапаскалів. Отже, у найекстремальнішій частині експерименту дослідники створювали умови, які значно перевищували тиск у земному ядрі.

Старі експерименти дали фізикам проблему

Спроби розплавити алмаз проводилися ще раніше. У 2007 році дослідники повідомили про плавлення алмазу під дією лазерної ударної хвилі за тиску близько 750 гігапаскалів. Це було більш ніж удвічі вище за тиск у внутрішньому ядрі Землі та приблизно у 7,4 мільйона раза більше за атмосферний тиск на рівні моря.

У 2009 році команда фізиків Ліверморської національної лабораторії під керівництвом Джона Еггерта безпосередньо виміряла температуру плавлення алмазу.

Проте з удосконаленням теоретичних моделей виникла проблема. Розрахунки на основі квантової механіки передбачали температуру плавлення, яка приблизно на 20 відсотків відрізнялася від отриманої експериментально. За словами Маріуса Мійо, дослідники не могли пояснити цю невідповідність навіть за допомогою найсучасніших комп'ютерних симуляцій.

"Що б теоретики не робили – навіть із використанням найсучасніших методів комп'ютерного моделювання – вони не могли відтворити результати експериментів", – пояснив Мійо.

Тепер фізики вважають, що проблема була не в теоретичних розрахунках, а в точності попередніх експериментальних вимірювань.

Чи мав алмаз перетворитися на іншу форму вуглецю?

Перед новим експериментом залишалося ще одне важливе питання. Теоретичні моделі передбачали, що приблизно за тиску 1 терапаскаль алмаз повинен на короткий час перейти в іншу форму вуглецю, відому як BC8, перш ніж остаточно розплавитися.

BC8 має іншу атомну структуру, ніж звичайний кубічний алмаз. Раніші експерименти навіть інтерпретували отримані дані як можливу ознаку такого переходу за тиску понад 900 гігапаскалів. Однак нові комп'ютерні моделі поставили цю інтерпретацію під сумнів. Вони показували, що під час дуже швидкого стиснення алмаз може просто не встигнути перебудувати свою структуру.

Експеримент 2009 року дозволив досягти тиску до 1,1 терапаскаля, але тодішнє обладнання не мало достатньої чутливості, щоб надійно визначити, чи виникає фаза BC8 перед плавленням. Технології вимірювання за екстремальних умов відтоді значно вдосконалилися. Саме це дозволило команді Мійо повторити дослідження та одночасно спостерігати за температурою, тиском і змінами атомної структури.

Нові вимірювання змінили температуру плавлення алмазу

Під час нового експерименту вчені не просто стискали алмаз лазерними ударними хвилями. Вони одночасно вимірювали швидкість поширення ударної хвилі, температуру матеріалу, його відбивну здатність і, що особливо важливо, атомну структуру за допомогою рентгенівського випромінювання.

Таким способом дослідники змогли визначити, що відбувається з алмазом безпосередньо під час переходу до рідкого стану.

"Ми змогли взяти крихітні зразки алмазу та стиснути їх ударною хвилею до температури, вищої за температуру поверхні Сонця, і до тиску, вищого за тиск у центрі Нептуна та Урана, – і водночас виміряти атомну структуру, температуру, густину та оптичну відбивну здатність", – розповів Мійо.

Нові дані показали, що температура плавлення алмазу становить приблизно 7300 кельвінів за тиску близько 1 терапаскаля. Це значно нижче за показники, отримані під час попередніх експериментів, і набагато краще узгоджується з теоретичними розрахунками.

Джон Еггерт визнав, що попередні вимірювання виявилися неточними більш ніж на 1000 градусів.

"Хоча було неприємно виявити, що наші початкові вимірювання температури були помилковими більш ніж на 1000 градусів, захопливо бачити настільки значне покращення якості даних завдяки новим методам діагностики", – зазначив Еггерт.

Алмаз не встиг перетворитися на BC8

Рентгенівські вимірювання дали відповідь і на питання про передбачувану фазу BC8. Коли дослідники поступово підвищували тиск, сигнал дифракції від алмазу ставав дедалі слабшим. Це означало, що кількість кристалічного матеріалу зменшувалася в міру плавлення.

Але поки вчені все ще могли виявити атомну структуру твердого матеріалу, вона залишалася саме кубічною структурою звичайного алмазу. Жодних переконливих ознак значного утворення фази BC8 команда не виявила. Натомість твердий алмаз і рідкий вуглець просто співіснували, доки процес плавлення не завершився.

Фізики припускають, що причина полягає у надзвичайно міцних зв'язках між атомами вуглецю. Для переходу до BC8 ці зв'язки потрібно розірвати та перебудувати атомну структуру. На це потрібна додаткова енергія та час.

Експеримент триває настільки короткий проміжок часу, що алмаз, імовірно, просто не встигає здійснити необхідну перебудову. Він плавиться раніше, ніж може перейти в передбачену теорією фазу.

Чому розплавлений алмаз поводиться ще дивніше?

У надзвичайних умовах алмаз демонструє ще одну властивість, яка нагадує поведінку звичайного льоду.

Твердий алмаз виявився менш щільним, ніж рідкий вуглець, який утворюється після його плавлення. Тобто в певних умовах твердий алмаз теоретично міг би плавати на поверхні власного розплаву.

Це незвичайна властивість, але не унікальна для твердих речовин. Схожий ефект добре відомий у води: лід має меншу густину, ніж рідка вода, тому плаває на її поверхні. Є й інша несподівана особливість. У певному діапазоні плавлення підвищення тиску не підвищує, а навпаки, знижує температуру, за якої алмаз переходить у рідкий стан.

Такі властивості важливі не лише для фундаментальної фізики. Вони допомагають зрозуміти, як поводиться вуглець там, де на нього діють тиск і температура, недоступні за звичайних умов.

Результати можуть допомогти дослідникам краще зрозуміти внутрішню будову крижаних гігантів Сонячної системи – Урана та Нептуна. Глибоко всередині цих планет речовина перебуває під колосальним тиском і за дуже високої температури. Умови експерименту частково відтворюють параметри, які можуть існувати в надрах таких планет.

Точні знання про поведінку вуглецю за екстремальних умов дозволяють удосконалювати моделі внутрішньої структури планет і процесів, що відбуваються далеко під їхніми верхніми шарами.

Нові дані можуть допомогти лазерному термоядерному синтезу

Практичне значення роботи не обмежується планетологією. Алмаз широко використовують як матеріал для мішеней у дослідженнях інерційного термоядерного синтезу.

У таких експериментах крихітну паливну капсулу стискають за допомогою надпотужних лазерів. Під час імплозії матеріали оболонки можуть опинятися під тиском, подібним до того, який дослідники створювали під час експериментів з алмазом. Тому точніша модель поведінки вуглецю за таких умов може допомогти створювати надійніші комп'ютерні симуляції термоядерних експериментів.

Дослідники вже перевірили оновлену модель вуглецю у своїх симуляціях. Вони встановили, що прогнозований приріст енергії термоядерного синтезу потенційно може збільшитися до трьох разів.

За словами Мійо, нові результати також показують, що під час імплозії на установці NIF можна використовувати дещо повільніші початкові ударні хвилі та все одно домогтися повного плавлення алмазу.

Це важливо, оскільки повільніша ударна хвиля дозволить сильніше стиснути термоядерне паливо. Це, своєю чергою, збільшує максимальний вихід енергії, який можна отримати за тієї самої енергії лазера, – пояснив фізик.

Отже, експеримент із плавленням алмазу допоміг не лише точніше визначити його властивості. Він також дав фізикам нову інформацію для моделювання речовини всередині далеких планет і може вплинути на подальший розвиток досліджень керованого термоядерного синтезу.