Новые эксперименты по плавлению подтверждают, что алмаз ведёт себя подобно кубикам льда в стакане воды: он способен всплывать в металлических жидкостях, насыщенных углеродом, при экстремально высоком давлении. Автор снимка — Джеймс Викболдт (LLNL).
Алмаз, снискавший славу прежде всего как драгоценный камень, в действительности представляет собой незаменимый материал для целого ряда высокотехнологичных направлений. Именно из него изготавливают микроскопические капсулы, применяемые в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу для удержания топлива. Помимо этого, геофизики полагают, что в недрах ледяных гигантов — Нептуна и Урана — алмазы способны формироваться и выпадать в виде осадков, подобно дождю.
Поведение этого минерала под высоким давлением давно приковывает к себе внимание исследователей, ведь в глубинах планет он испытывает нагрузки, недостижимые в обычных лабораторных условиях. Однако на протяжении многих лет экспериментальные замеры и теоретические расчёты не желали приходить к единому знаменателю. Как сообщает портал «Научный вестник», группа учёных из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) представила новые данные, опубликованные в журнале Nature Physics. Исследователям удалось измерить процесс плавления алмаза при давлениях, втрое превышающих те, что наблюдаются в ядре Земли.
Один из авторов работы, Мариус Милло, поясняет: «Микроскопические кристаллы алмаза были подвергнуты ударному сжатию до температур, превосходящих поверхность Солнца, и давлений, более высоких, чем в центре Нептуна и Урана. В таких условиях мы фиксировали атомную неоднородность, температуру и оптическую отражательную способность».
Эти результаты позволили снять сразу два давних вопроса в физике алмаза и добиться практически полного согласия между экспериментом и квантово-механическими моделями. Кроме того, полученные данные обладают прикладной ценностью: они способны приблизить энергетический выигрыш в термоядерных установках и уточнить модели внутреннего строения планет.
Тайна плавления алмазов 20-летней давности
Примерно 20 лет назад Джон Эггерт вместе с коллегами провёл серию опытов по плавлению алмаза в условиях высокого давления. Тогда было сделано неожиданное открытие: расплавленный алмаз оказался плотнее исходного кристалла. Хотя такое поведение аномально для большинства веществ, существует привычная аналогия — лёд и вода. Как поясняет Милло, жидкая вода плотнее льда, поэтому кубики льда плавают. По той же логике алмаз должен всплывать в жидком углероде при высоких давлениях.
Однако те же эксперименты породили загадку, над которой бились два десятилетия. Измеренные в лаборатории температуры плавления расходились с теоретическими предсказаниями примерно на 20%. Даже самые изощрённые вычислительные методы, подчёркивает Милло, не могли воспроизвести наблюдаемые данные.
Дополнительная неясность возникла в ходе испытаний в Национальных лабораториях Сандии. Специалисты, задействовавшие мощные магнитные поля установки Z для ударного сжатия образцов, зафиксировали сигналы, указывающие на возможный переход алмаза в иную кристаллическую модификацию до окончательного плавления. Компьютерное моделирование согласовывалось с такой интерпретацией, однако прямого наблюдения атомной структуры сжатого материала получить не удалось.
Лазеры показывают, что происходит при плавлении алмаза
Для разрешения обеих проблем коллектив LLNL обратился к методике динамического сжатия, реализованной на лазерной установке Omega в Лаборатории лазерной энергетики (LLE) Рочестерского университета. В ходе эксперимента мощные лазерные импульсы испаряли внешний слой микроскопического образца, порождая в глубине алмаза сильную ударную волну.
Экстремальное состояние длилось ничтожно мало — около миллиардной доли секунды, что делало измерения крайне сложными. За этот сверхкороткий промежуток исследователям удалось зарегистрировать комплекс характеристик, включая дифракцию рентгеновских лучей, позволившую определить расположение атомов. Это был первый случай, когда ударно-сжатый алмаз исследовался с применением рентгеновской дифракции в столь экстремальных условиях.
методом дифракции рентгеновских лучей до плавления», — сказал он. — сказал Милло. «Эти измерения чрезвычайно сложны, потому что углерод — маленький и легкий атом. Он рассеивает очень мало рентгеновских лучей, поэтому сигнал, который нам нужно было измерить, был довольно слабым».
Исследователи из LLE помогли создать и поддержать усовершенствованное диагностическое оборудование, которое сделало возможным проведение таких измерений. Используя новые инструменты, мы получили обновленную температуру плавления, которая почти идеально определила компьютерное моделирование, разрешив разногласия, которые сохраняли примерно два изменения.
«Хотя было неприятно слышать, что наши первоначальные измерения температуры имеют отклонения более чем на 1000 градусов, приятно видеть такое резкое улучшение качества данных благодаря нашей новой диагностике», — сказал он. — сказал Эггерт. «Более того, наша первоначальная методика плавления теперь подтверждена непосредственно с помощью дифракции рентгеновских лучей».
Алмаз остаётся алмазом, пока не расплавится
Эксперименты разрешили несоответствие температуры плавления, но дали другой ответ на вопрос, выявили результаты Сандиа.
Вместо этого, чтобы превратиться в другую кристаллическую фазу перед плавлением, углерод сохранил свою алмазную смесь до жидкого состояния. В ходе эксперимента промежуточная фаза не произошла.
"Мы думаем, что это происходит потому, что образец не меняется, когда он проявляет только одиночный шок. Он остается «запертым» в прошедшей ромбе», — сказал он. — сказал Милло.
Это исследование может иметь значение для будущих экспериментов и исследований материалов с чрезвычайно высокой кольцевой энергией. Результаты показывают, что способ нанесения воздействия может повлиять на реакцию материала. Сами по себе давление и температура не могут определить тип материала.
Физика алмаза может улучшить мощность термоядерного синтеза
Новое соглашение между теорией и экспериментом имеет непосредственное отношение к исследованиям термоядерного синтеза с инерционным удержанием.
В этих экспериментах мощные лазеры создают ударные волны, которые взорваются за неподвижную алмазную капсулу. Разрушающаяся капсула сжимает термоядерное топливо для дозирования и температуры, необходимое для необычного термоядерного синтеза.
Одной из важных задач во время начального шока является расплавление алмаза в гладкую, однородную жидкость. Неравномерность имплозии может помешать процессу сжатия и ослабить возникающую реакцию термоядерного синтеза.
Чтобы добиться полного плавления алмазной капсулы, ученые из учреждения центра зажигания (NIF) LLNL обычно используют сильный первоначальный шок.
Новые измерения показывают, что этот первый шок, возможно, не обязательно должен быть таким значительным, как считалось ранее.
«Наша работа показывает, что мы могли бы использовать более медленные первоначальные толчки и при этом добиться полного плавления алмаза при наших взрывах НИФ», — сказал он. — сказал Милло. «Это интересно, потому что такой более медленный удар делает термоядерное топливо более сжимаемым. Это, в свою очередь, увеличивает максимальный выход энергии, который мы могли бы получить при той же энергии лазера».
Модели предсказывают, что использование этих более медленных ударов надежно может утром прирост энергии термоядерного синтеза, если исследователи смогут контролировать другие процессы, снижающие производительность.
Новые сведения об алмазном дожде внутри ледяных гигантов
Результаты могут также помочь ученым понять, что происходит глубоко внутри Нептуна и Ураны.
Исследователи не могут непосредственно наблюдать внутренности этих ледяных гигантов, поэтому они во многом полагаются на лабораторные эксперименты и компьютерные модели, чтобы реконструировать экстремальные условия под их поверхностью.
Некоторые исследования показывают, что углерод может кристаллизоваться в алмазах глубоко внутри нашей планеты. Затем эти алмазы смогли проникнуть внутрь и создать то, что ученые называют «алмазным дождем».
Поскольку новые эксперименты исследовали алмазные давления, даже превышающие те, которые ожидались внутри ледяных гигантов, улучшенные измерения плавления планетологов более прочной основой для исследования того, как формировались Нептун и Уран, и как развивались их внутренности.
Доводя Даймонд до еще больших пределов
Теперь команда LLNL планирует использовать экспериментальные возможности NIF для исследования алмазов в условиях, которые еще труднее воспроизводить.
Будущая работа будет посвящена изучению того, как создавать алмазные капсулы на более поздних стадиях термоядерной имплозии, и изучению того, как долго кристаллическая структура алмаза может оставаться стабильной, когда материал подвергается воздействию нескольких серий ударных волн.
Среди других авторов LLNL — Федерика Коппари, Эми Лазицки, Ён-Дже Ким, Отто Ланден, Владимир Смалюк и Питер Сельерс. Специалисты LLNL по изготовлению мишеней Рене Посадас и Эрик Фолсом из технологического комплекса научного центра HED также внесли свой вклад в работу. Это исследование было под контролем программы исследований и разработок под руководством лаборатории LLNL.