Алмаз вважається найтвердішим природним матеріалом на Землі. Але навіть він не є невразливим. Якщо взяти крихітний шматок синтетичного алмазу та вдарити по ньому надпотужним лазерним імпульсом, температура злетить до рівнів, які важко уявити. Саме так учені змогли буквально розплавити алмаз — і в процесі отримали відповідь на загадку, яка не давала спокою фізикам близько двох десятиліть.
Нове дослідження показало, що попередні оцінки температури плавлення алмазу були помилковими більш ніж на 700 °C.
Алмаз поводиться зовсім не так, як очікували
На перший погляд може здатися дивним, навіщо взагалі вивчати плавлення алмазу. Але його поведінка за надвисоких температур і тиску має величезне значення для науки. Такі умови виникають у деяких експериментах із ядерного синтезу — процесу, завдяки якому світять зорі. Проблема полягала в тому, що експериментальні вимірювання температури плавлення алмазу довгий час не збігалися з теоретичними розрахунками.
Різниця сягала приблизно 1244 °F, або 700 °C — близько 20%. Для фізики це надто багато, щоб просто списати похибку на вимірювання. Вчені навіть не були впевнені, що відбувається з атомами алмазу безпосередньо перед плавленням. Існувала гіпотеза, що він спочатку переходить в іншу тверду форму вуглецю, а вже потім стає рідиною. Новий експеримент, схоже, поставив крапку в цій суперечці.
Лазер перетворив алмаз на дзеркало
Дослідники взяли крихітні пластинки синтетичного алмазу та обстріляли їх ультрафіолетовим лазером. Імпульс був настільки потужним, що через матеріал проходили надзвичайно сильні ударні хвилі. Температура та тиск під час експерименту стали екстремальними — вчені змогли нагріти зразки до температур, вищих за температуру поверхні Сонця.
Один із ключових сигналів виявився дуже незвичним: прозорий алмаз раптом починав відбивати світло, майже як дзеркало. Це стало ознакою того, що матеріал переходить у рідкий стан. Додатково вчені вимірювали світіння нагрітого зразка та за допомогою рентгенівської дифракції стежили за його атомною структурою. Так дослідникам вдалося значно точніше визначити момент, коли алмаз перестає бути твердим.
Найцікавіше сталося під тиском
Результат виявився несподіваним, але водночас пояснив стару загадку. Температура плавлення алмазу виявилася приблизно на 700 °C нижчою, ніж показували попередні експерименти. Саме це значення набагато краще узгоджується з теоретичними моделями.
Ще цікавіше: вчені не побачили доказів того, що алмаз перед плавленням обов’язково перетворюється на іншу тверду форму вуглецю. Ймовірно, енергії, необхідної для масштабної перебудови атомів, просто недостатньо за умов конкретного експерименту. Щоправда, дослідники не виключають, що кілька послідовних ударних хвиль можуть змінити ситуацію. Тобто спосіб, у який алмаз стискають і нагрівають, може впливати на його перехід між різними фазами.
Учені отримали дуже дивну рідину
За результатами дослідження, в діапазоні тиску приблизно 660–1060 гігапаскалів і температури близько 6727 °C алмаз може співіснувати з рідким вуглецем. І ця рідина зовсім не схожа на звичні нам рідини. Рідкий вуглець має металеві властивості, тобто може проводити електричний струм. Він також щільніший за твердий алмаз.
Тому за суто гіпотетичного сценарію шматок алмазу в такій рідині міг би поводитися приблизно як кубик льоду у воді — плавати на поверхні. Звичайно, створити «склянку рідкого вуглецю» в реальному житті неможливо: за таких умов матеріал існує лише під колосальним тиском і температурою.
Навіщо це потрібно для ядерного синтезу
Дослідження має цілком практичну мету. У деяких експериментах із керованого термоядерного синтезу лазери використовують для стиснення крихітних капсул із паливом — дейтерієм і тритієм. Їх потрібно стиснути до тиску понад 30 петапаскалів і нагріти до температури понад 100 мільйонів °C, щоб запустити реакцію синтезу.
Алмаз у таких експериментах може бути частиною оболонки капсули. Тому вченим критично важливо розуміти, як він поводиться, коли на нього одночасно діють шалений тиск, ударні хвилі та температура. Чим точніші моделі поведінки матеріалу, тим краще дослідники можуть прогнозувати результат експериментів із термоядерним синтезом.
І тут на сцену виходять Нептун та Уран
Нове відкриття цікаве не лише для лабораторій. Учені давно припускають, що в надрах Урана та Нептуна можуть відбуватися процеси, яких немає ні на Землі, ні в звичайних лабораторних умовах. За деякими моделями, величезний тиск і температура всередині цих крижаних гігантів можуть змушувати вуглець переходити у незвичні стани.
Існує навіть знаменита гіпотеза про «алмазний дощ»: у глибоких шарах планет вуглець може утворювати алмазні структури, які потім опускаються вниз під дією гравітації. А ще глибше можуть існувати області з рідким вуглецем, у яких тверді фрагменти поводяться майже як айсберги в океані. Нові вимірювання температури плавлення алмазу допоможуть зробити такі моделі точнішими.
І це, мабуть, найцікавіший парадокс цього експерименту: матеріал, який на Землі асоціюється з неймовірною міцністю, у надрах далеких планет може перетворюватися на частину дивного вуглецевого «океану». А тепер учені нарешті значно краще розуміють, де саме проходить межа між цими станами.