Алмаз відомий передусім як дорогоцінний камінь, але для науки це ще й надзвичайно важливий матеріал. Його використовують у капсулах для термоядерного синтезу, а в надрах Нептуна й Урана, за деякими моделями, з вуглецю можуть утворюватися справжні «алмазні дощі».
Тепер дослідники Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса (LLNL) безпосередньо виміряли, що відбувається з алмазом під час плавлення за тиску, який приблизно утричі перевищує тиск у центрі Землі. Результати, опубліковані в Nature Physics, допомогли розв’язати суперечність, яка не давала спокою вченим близько 20 років.
Таємниця, яку не могли пояснити навіть суперкомп’ютери
Ще приблизно два десятиліття тому експерименти показали незвичайну властивість алмазу: під час плавлення він стає щільнішим. Це означає, що за певних умов твердий алмаз міг би буквально «плавати» у рідкому вуглеці — подібно до того, як лід плаває у воді.
Але тоді виникла проблема. Виміряна температура плавлення приблизно на 20% відрізнялася від теоретичних розрахунків, і навіть найсучасніші квантовомеханічні симуляції не могли пояснити цю розбіжність.
Додаткову загадку створили експерименти на установці Z Machine у Sandia National Laboratories. Вони натякали, що перед плавленням алмаз може перетворюватися на іншу кристалічну форму. Комп’ютерні моделі таку можливість також допускали, але безпосередньо побачити зміну атомної структури не вдавалося.
Мільярдна частка секунди на вимірювання
Щоб розібратися в суперечностях, команда LLNL провела нові експерименти на лазерній установці Omega у Лабораторії лазерної енергетики Рочестерського університету.
Потужні лазери миттєво випаровували зовнішню поверхню крихітного зразка алмазу. Це створювало ударну хвилю, яка стискала матеріал до тиску й температури, недосяжних у звичайних лабораторних умовах. Найскладніше було встигнути все виміряти: екстремальний стан речовини тривав лише близько однієї мільярдної частки секунди.
За цей час дослідникам вдалося одночасно визначити атомну структуру, температуру, густину та оптичні властивості алмазу. Особливо важливим стало рентгенівське дифракційне вимірювання, яке безпосередньо показало розташування атомів.
Результат виявився переконливим: нове експериментальне значення температури плавлення майже ідеально збіглося з квантовомеханічними розрахунками.
Алмаз не встиг перетворитися на інший кристал
Ще одна важлива деталь — під час одиночного ударного стискання вчені не виявили проміжної кристалічної фази. Алмаз зберігав свою структуру аж до моменту плавлення.
На думку дослідників, причина може бути у надзвичайно короткому часі процесу. Матеріал просто не встигає перебудувати атомну структуру й залишається своєрідним «замкненим» у початковому стані. Це означає, що поведінка речовини за екстремальних умов залежить не лише від температури й тиску, а й від того, як саме ці умови створюються.
Що це дає термоядерному синтезу
Відкриття може мати практичне значення для термоядерних експериментів на Національній установці запалювання (NIF). Там потужні лазери стискають крихітні капсули з алмазною оболонкою, всередині яких міститься паливо для реакції синтезу.
Під час імплозії алмаз має перетворитися на рівномірну рідину. Якщо оболонка плавиться нерівномірно, це може створювати нестабільності та знижувати ефективність реакції.
Нові дані свідчать, що для повного плавлення оболонки можна використовувати дещо повільніший початковий удар. Це дозволяє сильніше стискати паливо й потенційно отримувати до трьох разів більший вихід енергії за тієї самої енергії лазера — якщо вдасться усунути інші втрати.
Підказка для розуміння Нептуна та Урана
Результати важливі й далеко за межами земних лабораторій. У глибинах крижаних гігантів Нептуна та Урана панують тиски, які складно відтворити на Землі. Деякі моделі припускають, що вуглець там може кристалізуватися в алмаз, а потім опускатися донизу крізь надра планети.
Оновлені дані про плавлення алмазу допоможуть точніше моделювати внутрішню будову, формування та еволюцію цих планет.
Наступним кроком дослідники планують перевірити поведінку алмазу за ще екстремальніших умов і з’ясувати, як він реагує не на один, а на послідовність ударних хвиль. Саме це наблизить учених до реалістичного розуміння того, що відбувається з алмазними капсулами під час термоядерної імплозії — і, можливо, з вуглецем у далеких планетах.