Физики расплавили алмаз, но эксперимент прошёл не так, как планировалось

Исследователи изучили, как алмаз изменяет свои характеристики при плавлении под воздействием экстремального давления и температуры. Этот минерал, известный как самый твердый в природе, может переходить в жидкое состояние при сильном воздействии. В процессе плавления атомы углерода теряют свою упорядоченность, однако до момента плавления кристаллическая структура остается кубической. Данную информацию сообщает портал Science XXI.

Эксперименты были проведены специалистами Ливерморской национальной лаборатории в сотрудничестве с коллегами, использовавшими лазерный комплекс OMEGA в Университете Рочестера. Лазерные импульсы создавали ударные волны в миниатюрных образцах алмаза, обеспечивая давление от 600 гигапаскалей до 1,8 терапаскаля. Исследователи одновременно отслеживали скорость ударной волны, температуру, отражающую способность материала и изменения его атомной решетки с помощью рентгеновских лучей. Результаты были опубликованы в журнале Nature Physics.

Новые измерения показали, что при давлении около 1 терапаскаля алмаз плавится примерно при 7 300 Кельвинах. Этот показатель оказался значительно ниже предыдущих оценок и совпал с теоретическими расчетами. Как отметил физик Джон Эггерт, первоначальные данные о температуре отличались более чем на 1 000 градусов, но новые методы значительно повысили точность наблюдений.

Рентгеновские данные подтвердили, что с увеличением давления сигнал от кристаллической решетки алмаза постепенно ослабевал и исчезал после плавления. При этом не было обнаружено заметного перехода в предполагаемую фазу углерода BC8. Вместо этого твердый алмаз и жидкий углерод сосуществовали до полного расплавления образца. По мнению авторов, быстрая ударная компрессия не оставляет времени на разрыв и перестройку прочных углеродных связей, необходимых для образования BC8.

При таких давлениях твердый алмаз оказался менее плотным, чем расплавленный углерод, что теоретически позволяет ему плавать на поверхности углеродного расплава. В некоторых диапазонах плавления повышение давления также снижает температуру перехода материала в жидкое состояние. Полученные данные могут быть полезны для изучения недр Урана и Нептуна, где могут существовать аналогичные условия.

Результаты также важны для экспериментов по инерционному термоядерному синтезу, где алмаз используется в качестве материала мишеней. Более точная модель поведения углерода при сжатии позволит улучшить компьютерные расчеты таких установок. По оценкам исследователей, обновленные данные могут увеличить прогнозируемый энергетический выигрыш в моделях до трех раз.