Фізики розплавили алмаз за екстремальних температур і тиску та побачили поведінку, якої від нього не очікували. Кристал не перейшов у передбачену теорією проміжну фазу, а до самого плавлення зберігав звичну структуру.

Експеримент провела команда під керівництвом Маріуса Мілло з Ліверморської національної лабораторії імені Е. Лоуренса у США. Дослідники хотіли з’ясувати, як саме поводиться один із найтвердіших природних матеріалів за тиску, який можна порівняти з умовами всередині планет.

Алмази вже вдавалося плавити раніше. У 2007 році для цього використали лазер, створивши тиск у 750 гігапаскалів — більш ніж удвічі вищий за тиск у внутрішньому ядрі Землі.

Подальші досліди дали змогу визначити температуру плавлення алмазу, але виникла проблема. Експериментальні результати приблизно на 20% відрізнялися від квантово-механічних розрахунків, і навіть сучасні комп’ютерні моделі не могли пояснити цю різницю.

Існувала й інша загадка. Теоретично за тиску близько одного терапаскаля кристалічна структура алмазу перед плавленням мала перейти в іншу тверду форму вуглецю — BC8.

Щоб перевірити це безпосередньо, команда Мілло використала лазерну установку OMEGA в Рочестерському університеті. Потужними лазерними імпульсами вчені створювали ударні хвилі у крихітних зразках алмазу, доводячи тиск до 600 гігапаскалів — 1,8 терапаскаля.

Умови були надзвичайними: температура перевищувала температуру поверхні Сонця, а тиск — той, що існує в центрі Урана та Нептуна. Водночас дослідники за допомогою рентгенівського випромінювання стежили за тим, що відбувається з атомною структурою алмазу.

Нові вимірювання показали, що за тиску в один терапаскаль алмаз плавиться приблизно за 7300 Кельвінів. Цей показник виявився більш ніж на 1000 градусів нижчим за попередні експериментальні оцінки та нарешті збігся з теоретичними розрахунками.

Але найбільший сюрприз приніс аналіз структури. У міру збільшення тиску частка кристалічного алмазу поступово зменшувалася, доки він повністю не перетворився на рідкий вуглець.

При цьому жодних переконливих ознак очікуваного переходу до структури BC8 дослідники не побачили. Поки тверда частина алмазу існувала, вона зберігала звичайну кубічну кристалічну ґратку.

Учені припускають, що причина криється у швидкості експерименту. Для переходу в BC8 необхідно розірвати й перебудувати надзвичайно міцні зв’язки між атомами вуглецю, але ударна хвиля діє настільки швидко, що алмаз просто не встигає перебудуватися й раніше плавиться.

Ще одна несподівана особливість робить алмаз схожим на звичайний лід. За таких екстремальних умов твердий алмаз менш щільний, ніж рідкий вуглець, тому теоретично він міг би плавати на поверхні власного розплаву — як лід на воді.

Через цю властивість виникає ще один незвичний ефект. У певному діапазоні збільшення тиску не підвищує, а навпаки, знижує температуру початку плавлення алмазу.

Результати потрібні не лише для розуміння властивостей вуглецю. Вони допомагають моделювати процеси в надрах Урана та Нептуна, де речовина перебуває за подібних температур і тиску.

Дані можуть бути корисними й для експериментів із керованого інерціального термоядерного синтезу. Алмаз використовують у мішенях, де паливо стискають потужними лазерами за екстремального тиску.

Після оновлення моделі поведінки вуглецю розрахунки дослідників показали, що прогнозований вихід термоядерної енергії за певних умов може зрости майже втричі. За словами Мілло, нові дані дозволяють розглядати повільніші початкові ударні хвилі, які можуть забезпечити краще стиснення палива.

🌟 Читайте «Експерт» у своєму смартфоні — додайте нас в Google Discover