Художественное изображение куска твёрдого алмаза, плавающего в луже жидкого металлического углерода. Новый эксперимент доказывает, что такая ситуация возможна в недрах других планет. Источник: James Wickboldt/LLNL.
Учёные расплавили алмазы при помощи мощного лазера, чтобы получить одни из самых точных на сегодня измерений температуры плавления этого минерала. Результаты показали, что прежние эксперименты ошибались более чем на 700 градусов Цельсия. Об этом сообщает портал Live Science со ссылкой на исследование, опубликованное в журнале Nature Physics.
Алмаз — самый твёрдый природный материал на Земле, и сама мысль о его плавлении кажется необычной. Однако при воздействии чрезвычайно мощных лазеров в подходящих условиях он действительно плавится. Понимание того, как алмаз реагирует на ударные волны от лазерного излучения, важно для развития термоядерного синтеза — процесса, который питает звёзды. Поскольку термоядерный синтез рассматривается и как потенциальный источник энергии будущего, исследователи прилагают много усилий для создания моделей, описывающих и предсказывающих поведение алмаза.
Однако алмаз ведёт себя необычно. Хотя экспериментальные данные и теоретические модели в большинстве случаев хорошо совпадают, остаются странные расхождения, которые учёные не могли объяснить. Самое крупное из них — разница в 1244 градуса Цельсия (примерно 20%) между прежними экспериментальными данными и предсказанной моделями температурой плавления алмаза. Кроме того, ведутся споры о том, перестраивает ли алмаз свои атомы в другую разновидность твёрдого углерода прежде, чем превратиться в жидкость на завершающей стадии плавления.
Объяснить эти расхождения было трудно, поскольку условия плавления алмаза настолько экстремальны, что измерить их в земных лабораториях крайне сложно. Новые эксперименты, возможно, наконец дают решение, которое учёные искали два десятилетия. В ходе исследования учёные облучали ультрафиолетовым лазером крошечные пластинки синтетического алмаза, создавая ударные волны такой силы, что при прохождении через образцы алмаз менял прозрачность на зеркальный блеск. Сильный рост отражательной способности служит одним из признаков плавления. Сопоставив это изменение с измерениями яркости свечения алмазов под лазерным воздействием, исследователи с высокой точностью определили температуру плавления.
«Мы смогли взять крошечные образцы алмаза и сжать их ударной волной до температур выше поверхности Солнца и давлений выше, чем в центре Нептуна и Урана, — и при этом измерить атомную структуру, температуру, плотность и оптическую отражательную способность», — приводит слова соавтора исследования Мариуса Мийо, научного сотрудника Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии, портал Live Science. Команда установила, что температура плавления образца алмаза более чем на 700 градусов Цельсия ниже, чем считалось ранее, — это согласуется с теоретическими предсказаниями и наконец объясняет давнее расхождение. Учёные также измерили атомную структуру образцов методом рентгеновской дифракции и увидели, что алмаз не переходил в другую разновидность твёрдого углерода перед плавлением — возможно, потому что энергии для перестройки атомов было недостаточно.
Исследователи выдвинули гипотезу, что несколько ударных волн могут быть достаточно мощными для такого перехода и что способ их приложения к алмазу может влиять на смену фазы. Это важно для термоядерных исследований: в некоторых экспериментах лазеры плавят и сжимают алмазную капсулу, чтобы поместить её содержимое — твёрдый дейтерий и тритий — под давление более 30 петапаскалей и при температуре выше 100 миллионов градусов Цельсия, что необходимо для запуска цепной реакции синтеза. Кроме того, команда выяснила, что при давлении примерно от 660 до 1060 гигапаскалей и температуре около 6727 градусов Цельсия алмаз существует в виде твёрдых фрагментов, плавающих в жидком углероде. С ростом давления всё больше алмаза переходит в жидкий углерод — по-видимому, очень необычный материал: в отличие от большинства форм углерода на Земле, таких как уголь, графит и алмаз, жидкий углерод является металлическим и проводит электричество, а также плотнее алмаза.
Понимание поведения алмаза в таких экстремальных условиях важно и для изучения ледяных гигантов Урана и Нептуна. На основе измерений аппарата «Вояджер-2» в конце 1980-х годов и лабораторных экспериментов на Земле учёные полагают, что внутри этих планет буквально идут дожди из огромных кусков алмаза, а их мантии могут содержать океаны жидкого углерода с плавающими в них алмазами, словно айсбергами. Новое исследование позволит учёным точнее предсказывать строение недр этих планет и их углеродные циклы.