Алмазы оказались способны выдержать огромное давление

В серии новых экспериментов ученые обнаружили, что алмазы сохраняют свою кристаллическую структуру при давлении, в пять раз превышающем давление ядра Земли.

Это противоречит предсказаниям о том, что алмаз должен трансформироваться в еще более стабильную структуру при чрезвычайно высоком давлении, предполагая, что алмаз прилипает к форме в условиях, когда другая структура будет более стабильной, что называется "метастабильным".

Открытие имеет значение для моделирования сред с высоким давлением, таких как ядра планет, богатых углеродом.

Углерод настолько распространен, насколько возможно. Это четвертый по численности элемент во Вселенной, его можно найти в экзопланетах, звездах и пространстве между ними. Это также основной ингредиент всей известной жизни на Земле. Без него мы бы не существовали; вот почему мы называем себя углеродной жизнью.

Таким образом, углерод представляет большой интерес для всех ученых. Однако одно место, где можно найти углерод - ядра богатых углеродом экзопланет - очень трудно изучить. Присутствующее там высокое давление трудно воспроизвести, и, когда оно достигнуто, сдавливаемый материал сложно исследовать.

Мы знаем, что углерод имеет несколько аллотропов или разновидностей структур при атмосферном давлении, которые имеют существенно разные физические свойства. Древесный уголь, графит и алмаз образуются при разном давлении, при этом алмаз образуется при более высоких давлениях глубоко под землей, начиная с 5 или 6 гигапаскалей.

Давление в ядре Земли составляет около 360 гигапаскалей. При еще более высоком давлении - около 1000 гигапаскалей, что чуть более чем в 2,5 раза превышает давление ядра Земли, - ученые предсказали, что углерод снова превратится в несколько новых структур, которых мы никогда не видели и не создавали раньше.

Один из методов достижения безумно высоких давлений включает использование алмазной наковальни и ударное сжатие. С помощью этого метода углеводород подвергся воздействию 45 000 гигапаскалей. Этот метод имеет тенденцию разрушать образец до того, как можно будет исследовать его структуру.

Группа ученых под руководством физика Эми Лазики Дженей из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса нашла другой способ заставить это работать. Они использовали наклонные лазерные импульсы, чтобы сжать образец твердого углерода до давления 2000 гигапаскалей. Одновременно с этим для исследования кристаллической структуры образца использовалась дифракция рентгеновских лучей с временным разрешением наносекундной длительности.

Это более чем вдвое увеличило предыдущее давление, при котором материал был исследован с помощью дифракции рентгеновских лучей. И результат удивил команду.

"Мы обнаружили, что, к удивлению, в этих условиях углерод не превращается ни в одну из предсказанных фаз, но сохраняет структуру алмаза до самого высокого давления", - сказала Дженей.

"Те же самые сверхпрочные межатомные связи (требующие высокой энергии для разрыва), которые ответственны за метастабильную алмазную структуру углерода, сохраняющуюся неопределенно долго при атмосферном давлении, также, вероятно, препятствуют его трансформации выше 1000 гигапаскалей в наших экспериментах».

Другими словами, алмаз не превращается в графит, когда его извлекают из глубоких подземелий: от более высокого давления к более низкому. Сила, которая предотвращает эту реверсию, может быть причиной того, что алмаз не перестраивается в другой аллотроп при даже более высоких давлениях, чем те, в которых он образовался.

Это открытие может изменить то, как ученые моделируют и анализируют богатые углеродом экзопланеты, включая мифические алмазные планеты.

Между тем, предстоит еще многое сделать, чтобы понять результат. Команда не совсем уверена, почему алмаз такой прочный - потребуются дополнительные исследования, чтобы выяснить, почему алмаз является метастабильным в широком диапазоне давлений.

"Нашла ли природа способ преодолеть высокий энергетический барьер для образования предсказанных фаз в недрах экзопланет, все еще остается открытым вопросом", - сказала Дженей .

"Дальнейшие измерения с использованием альтернативного пути сжатия или начиная с аллотропа углерода с атомной структурой, требующей меньше энергии для перегруппировки, дадут дальнейшее понимание".

Напомним, ранее сообщалось, что возле погасшей звезды обнаружили алмазную планету.

Источник