Алмаз и лёд внешне могут показаться чем-то похожими, но на атомном уровне между ними почти нет ничего общего. Лёд образуется при охлаждении воды, а алмаз — при огромных давлениях и температурах. Даже расположение атомов внутри этих веществ принципиально различается.
И всё же у них нашлось неожиданное сходство.
Алмаз — самый твёрдый природный минерал на Земле — действительно можно расплавить. Правда, для этого нужны условия, которые сложно представить в обычной лаборатории. И, как выяснили физики, плавится он довольно необычным образом.
Команда под руководством Мариуса Милло из Ливерморской национальной лаборатории США подвергла крошечные образцы алмаза мощнейшим ударным волнам. Давление достигало от 600 гигапаскалей до 1,8 терапаскаля, а температура становилась выше температуры поверхности Солнца.
При этом исследователи с помощью рентгеновского излучения наблюдали непосредственно за тем, что происходило с атомной структурой алмаза.
Интерес к этому вопросу возник не случайно. Алмаз плавили и раньше. Ещё в 2007 году исследователи смогли сделать это при давлении около 750 гигапаскалей — более чем вдвое выше давления в центре Земли и примерно в 7,4 миллиона раз выше атмосферного давления у поверхности моря.
В 2009 году другая группа непосредственно измерила температуру плавления алмаза. Но позднее обнаружилась странная проблема: экспериментальные результаты примерно на 20 процентов расходились с квантово-механическими расчётами.
Как бы теоретики ни совершенствовали свои модели, воспроизвести старые измерения не получалось.
Была и другая загадка. Расчёты предсказывали, что примерно при давлении в один терапаскаль привычная кристаллическая решётка алмаза перед плавлением должна временно перестраиваться в особую форму углерода — BC8.
Некоторые старые эксперименты даже считались подтверждением такого перехода. Однако новые компьютерные модели показали, что при очень быстром сжатии атомам углерода может просто не хватить времени на столь серьёзную перестройку.
Теперь физикам удалось проверить это непосредственно.
По мере увеличения давления рентгеновский сигнал от кристаллического алмаза постепенно слабел: твёрдого вещества становилось всё меньше, пока его структура полностью не исчезла.
Но самое интересное заключалось в том, чего учёные не увидели.
Пока твёрдая структура вообще сохранялась, она оставалась обычной кубической решёткой алмаза. Заметного количества предсказанной фазы BC8 исследователи не обнаружили. Твёрдый алмаз и жидкий углерод просто существовали одновременно, пока плавление не завершилось.
Предполагаемая причина — чрезвычайно прочные связи между атомами углерода. Чтобы превратить алмаз в структуру BC8, эти связи нужно разрушить и перестроить. На это требуется энергия и время. При быстром ударном сжатии алмаз, судя по всему, успевает расплавиться раньше.
Одновременно новые измерения решили и давнюю проблему с температурой.
Исследователи получили температуру плавления около 7300 кельвинов при давлении примерно в один терапаскаль. Это более чем на тысячу градусов ниже прежних экспериментальных оценок — зато результат хорошо совпал с теоретическими расчётами.
И здесь обнаружилось ещё одно удивительное свойство.
При таких давлениях твёрдый алмаз оказывается менее плотным, чем жидкий углерод, в который он превращается. То есть кусок твёрдого алмаза теоретически мог бы плавать на поверхности расплавленного углерода — примерно так же, как лёд плавает на воде.
Более того, в части диапазона давления происходит ещё более непривычная вещь: чем сильнее давление, тем ниже становится температура плавления алмаза.
Эти эксперименты нужны не только ради необычной физики. Подобные давления и температуры могут существовать внутри ледяных гигантов — Урана и Нептуна, поэтому новые данные помогут лучше понять поведение углерода в недрах этих планет.
Есть и гораздо более практическое применение.
Алмаз используется в мишенях для экспериментов по инерциальному термоядерному синтезу, где крошечные капсулы с топливом сжимают колоссальным давлением. Чем точнее известно, как углерод ведёт себя во время такого сжатия, тем точнее можно рассчитывать весь процесс.
Когда исследователи включили обновлённую модель поведения углерода в компьютерные расчёты, прогнозируемый энергетический выигрыш термоядерной реакции в некоторых случаях увеличился до трёх раз.
По словам Милло, новые данные показывают, что начальную ударную волну можно сделать немного медленнее и всё равно полностью расплавить алмаз. Это позволит сильнее сжать термоядерное топливо и потенциально получить больше энергии при той же мощности лазеров.
Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
