RW Space

В фильмах об ограблениях алмазы могут называться льдом, но на самом деле у этих двух твердых тел не так уж много общего.

От того, как их атомы устроены внутри, до того, как они вообще формируются (сильное давление и высокая температура глубоко под землей для алмаза и холод для льда), трудно представить себе два вещества, которые имели бы такие сильные различия, сохраняя при этом внешнее сходство.

Поэтому вы можете удивиться, узнав, что алмаз – самый твердый из известных природных минералов на Земле – способен плавиться.

Но даже при этом алмаз ведет себя очень странно, по мнению группы физиков под руководством Мариуса Милло из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) в США.

По сути, он остается в своей привычной кристаллической структуре алмаза вплоть до момента плавления, когда его атомы углерода приходят в беспорядок.

«Мы думаем, что это происходит потому, что образец не успевает измениться, когда он испытывает только одиночный удар». — говорит Милло. «Он остается «запертым» в структуре ромба».

Расплавить алмаз не так-то просто, но за прошедшие годы было проведено несколько экспериментов. В 2007 году группа ученых сообщила о плавлении алмаза с помощью лазера, который подверг его ударной волне с давлением в 750 гигапаскалей, что более чем в два раза превышает давление окружающей среды во внутреннем ядре Земли и в 7,4 миллиона раз превышает атмосферное давление на уровне моря.

Последующие эксперименты, подробно описанные в статье 2009 года под руководством физика LLNL Джона Эггерта, напрямую измеряли температуру плавления алмаза.

Как теоретическое расчеты улучшились, однако возникла проблема: экспериментальная температура плавления отличалась от квантово-механических предсказаний примерно на 20 процентов.

«Что бы теоретики ни делали — даже с помощью самых передовых методов компьютерного моделирования — они не могли воспроизвести эксперименты», — говорит Милло.

Между тем, еще один вопрос остался без ответа. Теория предсказывала, что при температуре около терапаскаля жестко упорядоченная атомная решетка алмаза должна временно перейти в форму углерода, называемую BC8, прежде чем полностью расплавиться.

Более ранние эксперименты даже интерпретировались как свидетельство этого перехода при температурах выше примерно 900 гигапаскалей. Однако новые модели показывают, что образование BC8 может быть слишком сложно осуществить при быстром сжатии.

Хотя в статье 2009 года было продемонстрировано плавление алмаза при давлении до 1,1 терапаскаля, эксперименту не хватало чувствительности, чтобы определить, появляется ли предсказанная фаза BC8 на этом пути.

Однако за годы, прошедшие после этих 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 Университете Рочестера, исследователи использовали мощные лазерные импульсы, чтобы пропускать ударные волны через крошечные образцы алмазов, создавая давление от 600 гигапаскалей до 1,8 терапаскалей.

В то же время команда измерила, насколько быстро двигался удар, насколько горячим и отражающим стал алмаз, и – что очень важно – использовали рентгеновские лучи, чтобы наблюдать, как изменяется кристаллическая структура.

«Мы смогли взять крошечные образцы алмаза и ударно сжать их до температур, превышающих температуру поверхности Солнца, и до давлений выше, чем в центре Нептуна и Урана, – и при этом измерять атомную структуру, температуру, плотность и оптическую отражательную способность», – говорит Милло.

Новые измерения решили проблему температуры.

Они установили, что температура плавления алмаза составляет около 7300 Кельвинов и 1 терапаскаль, что значительно ниже, чем старые экспериментальные измерения, и хорошо согласуется с теоретическими расчетами, которые упорно отказывались соответствовать старым результатам.

«Хотя было неприятно обнаружить, что наши первоначальные измерения температуры были отклонены более чем на 1000 градусов, приятно видеть такое резкое улучшение качества данных с помощью нашей новой диагностики», — говорит Эггерт.

Рентгеновские лучи также показали, что происходило с кристаллической структурой алмаза во время его плавления – и вот здесь все становится по-настоящему весело.

По мере того, как исследователи повышали давление, сигнал дифракции рентгеновских лучей в алмазе становился все слабее, указывая на то, что все меньше и меньше кристаллического алмаза оставалось в процессе плавления, пока он полностью исчез.

Но пока команде удавалось обнаружить атомную структуру, он оставался в знакомой кубической кристаллической решетке. Исследователи не обнаружили никаких признаков существенной фазы BC8 — твердый алмаз и жидкий углерод просто сосуществовали до тех пор, пока процесс не был завершен.

Это, по их мнению, вероятно, связано с механизмами, предложенными более ранними моделями. Хотя углерод может предпочесть фазу BC8 при соответствующем давлении, для достижения этого требуется разрыв и перестройка чрезвычайно прочных углеродных связей алмаза – энергозатратный процесс.

В мимолетных условиях эксперимента алмаз, кажется, плавится до того, как трансформация может произойти.

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

При таких экстремальных давлениях твердый алмаз менее плотен, чем жидкий углерод, в который он плавится.

При таких экстремальных давлениях твердый алмаз менее плотен, чем жидкий углерод, в который он плавится. – так же, как обычный лед менее плотен, чем жидкая вода.

Это означает, что твердый алмаз может плавать в луже расплавленного углерода. Это также приводит к еще одному противоречивому эффекту: в некоторой части диапазона плавления увеличение давления фактически снижает температуру плавления алмаза.

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

Такие эксперименты могут рассказать нам о недрах ледяных планет-гигантов, таких как Уран и Нептун, где углерод может испытывать условия давления и температуры, аналогичные тем, которые воссозданы в эксперименте.

Однако ближе к делу алмаз используется в мишенях для экспериментов по термоядерному синтезу с инерционным удержанием, где крошечные топливные капсулы сжимаются под таким же огромным давлением. Таким образом, более точная информация о том, как ведет себя углерод при взрыве этих мишеней, могла бы улучшить компьютерные модели, используемые для разработки экспериментов по термоядерному синтезу.

По теме: Наконец, реакция термоядерного синтеза произвела больше энергии, чем поглощается топливом

Действительно, в ходе моделирования, включающего обновленную модель углерода, исследователи обнаружили, что прогнозируемый прирост энергии термоядерного синтеза может увеличиться почти в три раза.

«Наша работа показывает, что мы могли бы использовать немного более медленную начальную модель.

Это интересно, потому что такой более медленный удар сделает термоядерное топливо более сжимаемым, что, в свою очередь, увеличит максимальный выход энергии, который мы могли бы получить с той же энергией лазера».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.