Рентген алмаза под рекордным давлением указал на устойчивость углеродных связей

Применив новый метод «холодного» сжатия образца, ученые выяснили что при давлении уровня планетарного ядра, алмаз не претерпевает плавления и других фазовых переходов. Для этого они использовали рентгенодифракционный анализ и оказались первыми, кто провел его при таком высоком давлении. В статье опубликованной в Nature авторы предлагают новый метод сжатия алмаза до рекордных значений давления.

На Земле углерод существует в ряде аллотропных модификаций, многие из которых общеизвестны: уголь, графит, алмаз. Со второй половины двадцатого века физики описали также несколько необычных, но стабильных модификаций, таких как фуллерен, графен и углеродные нанотрубки. Будучи четвертым по распространенности во Вселенной, углерод является очень важным объектом для понимания структуры планет как внутри Солнечной системы, так и за ее пределами. Особенно важным является исследование фазовых равновесий углерода при давлении от одного терапаскаля и выше. Это позволит моделировать условия внутри планетарного ядра и даст возможность узнать больше о строении планет подобных земле.

Недавно с помощью ячейки с алмазными наковальнями физики смогли достичь давления порядка одного терапаскаля, до сих пор это считается максимально возможным давлением, полученным статически в лаборатории. Чаще такое давление получают с помощью ударного сжатия, но эксперименты с алмазом показали, что в этих условиях он начинает плавиться при давлении около 0,6 терапаскаля из-за сильного разогрева, сопровождающего процесс сжатия. Впрочем, недавно физики разработали технологию, позволяющую избежать разогрева при сжатии. Для этого они проводили сжатие, длительность которого превышает время прохождения звуковой волны через образец. Таким образом ученым удалось избежать избыточного перегрева.

Группа физических химиков под руководством Эми Лазитски (Amy Lazicki) из Национальной лаборатории Ливермора поставила рекорд, применив метод рентгеновской дифракции при давлении до двух терапаскалей. На сегодняшний день это самое высокое давление, при котором ученым удавалось получить какие-нибудь структурные данные о веществе. Для сжатия образца, авторы использовали пучок из 16 лазерных лучей. При этом в качестве образцов использовался как чистый алмаз, так и эпоксидно-алмазный композит. Последний ученые использовали для отведения тепла от самого алмаза. Сами стрессовые состояния находились в пределах от 0,8 до 2,0 терапаскалей.

Во время пикового сжатия образца, отдельные лучи направлялись на германиевую или циркониевую фольгу, размещенную рядом с образцом, для создания яркого квазимонохроматического рентгеновского луча с энергиями 10,25 килоэлектронвольт для германия и 16,25 килоэлектронвольт для циркония. При этом рентгеновские лучи, источником которых был сам образец, проходили через коллиматор сразу за образцом. Образец находился в сферической камере с полной сферической детекцией. Это позволило авторам получить полную дифракционную картину сверхсжатого состояния алмаза.

Несмотря на прогнозы о фазовых переходах в алмазе при высоком давлении, а также об образовании альтернативных стабильных и метастабильных фаз, авторы не обнаружили признаков фазовых переходов в образцах алмаза. Авторы отмечают, что из этого можно сделать вывод о прочности одинарной связи углерод-углерод. Ранее физики предсказывали, что фазовый переход алмаза наступит при 170 гигапаскалях, что примерно в десять раз ниже, чем полученные в этой работе два терапаскаля. Также отсутствие плавления образца при настолько высоком давлении позволит многое узнать о фазовых переходах углерода. Авторы отмечают, что разработанный ими метод пока не позволяет измерять температуру образца достаточно точно. Появление достаточно достоверного метода измерения температуры позволит построить более точные модели прочности и фазовых равновесий материала.
Углерод и множество его аллотропных модификаций часто привлекают внимание ученых. Например, недавно химики доказали, что взаимодействие карбида кремния с водой в ядрах планет приводит к образованию алмазов. А в прошлом году ученые выяснили, что в ядре Земли углерода гораздо меньше чем казалось. Смоделировав условия формирования ядра планеты, ученые показали, что углерода в ядре примерно в два раза меньше, чем предполагалось. О других интересных свойствах ядер планет можно прочитать в материале «Путешествие к центру Земли».

Читайте также

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.