• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
18.08.2022
Иван Лавренов
4
967

Ученые создали алмазные капсулы высокого давления и запечатали в них кристаллический аргон

6.5

Запечатывание фаз высокого давления в нанокристаллическом алмазе позволяет извлекать их из алмазной наковальни и изучать ранее недоступными способами. При этом внутри капсулы сохраняется давление, близкое к использованному при синтезе.

Иллюстрация удержания и исследования фаз высокого давления в виде включений в нанокристаллическом алмазе
Иллюстрация удержания и исследования фаз высокого давления в виде включений в нанокристаллическом алмазе / © Charles Zeng / Автор: Иван Беляев

При давлениях, достигающих и превышающих сотни тысяч атмосфер, энергия сжатия становится сравнимой с энергией химических связей в веществах и материалах, а их свойства существенно изменяются. Графит превращается в алмаз, газообразный кислород становится металлом, и образуются соединения с составом, невозможным в обычных условиях.

Один из интереснейших классов таких соединений — супергидриды, которые содержат гораздо большее количество водорода, чем позволяет обычная химия. Литий и лантан при обычном давлении образуют гидриды LiH и LaH3, а при миллионах атмосфер — LiH6 и LaH10.

Многие супергидриды выступают сверхпроводниками и оставляют далеко позади даже самые высокотемпературные сверхпроводники, существующие при обычном давлении. У иттрий-бариевого купрата — наиболее многообещающего представителя последних — температура перехода составляет минус 180 градусов Цельсия. У LaH10 она достигает минус 23 градусов при полутора миллионах атмосфер, и супергидриды еще только начали изучать. Среди них вполне может отыскаться сверхпроводник, остающийся таковым при комнатной температуре, и почти наверняка он будет существовать только при высоком давлении.

Синтезировать и изучать фазы высокого давления сравнительно несложно: алмазные наковальни создают давление до нескольких миллионов атмосфер и пропускают инфракрасное и рентгеновское излучение, которыми можно изучать структуру вещества. К сожалению, почти все эти фазы распадаются при извлечении из наковальни.

Ученые под руководством доктора Чжидань Дзэн (Zhidan Zeng) из Научно-технологического центра исследований высокого давления (Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research, HPSTAR) и профессора Венди Мао (Wendy Mao) из Стэнфордского университета (Stanford University) предложили способ сохранения фаз высокого давления вне алмазных наковален и проверили его экспериментально.

Они использовали стеклоуглерод — модификацию углерода, которая в обычных условиях непроницаема для газов и жидкостей, но начинает пропускать их под давлением. Каждый атом углерода в стеклоуглероде связан с тремя соседями, подобно графиту, но, в отличие от последнего, его структура беспорядочна на масштабах, превышающих атомные.

Образец стеклоуглерода. Из этого материала делают тигли, обладающие высочайшей устойчивостью к коррозии, а в отсутствие кислорода и окислителей - и к температурам до 3000 градусов. Размер графитового кубика слева снизу составляет 1 см.
Образец стеклоуглерода. Из этого материала делают тигли, обладающие высочайшей устойчивостью к коррозии, а в отсутствие кислорода и окислителей – и к температурам до 3000 градусов. Размер графитового кубика слева снизу составляет 1 см. / © wikipedia.org

Если связывать плоские графитоподобные фрагменты в трехмерную беспорядочную сеть, между ними неизбежно оказывается много пустого пространства, что отражается в очень низкой плотности стеклоуглерода (1,5 грамма на сантиметр кубический против 2,5 у графита).

Ученые накачали аргон в алмазную наковальню с предварительно помещенным туда стеклоуглеродом и подвергли содержимое сжатию до полумиллиона атмосфер с разогревом до 1800 градусов Цельсия. Сначала при сжатии и разогреве аргон входил в пустоты структуры стеклоуглерода и равномерно заполнял его, словно губку. Дальнейшее повышение давления и температуры воздействия перестраивало структуру химических связей в стеклоуглероде, превращая его в гораздо более плотный нанокристаллический алмаз.

Схема образования замкнутых пор с кристаллическим аргоном в нанокристаллическом алмазе
Схема образования замкнутых пор с кристаллическим аргоном в нанокристаллическом алмазе / © https://www.nature.com/articles/s41586-022-04955-z/figures/1

Аргон при этом выдавливался из трансформирующейся структуры углерода и собирался в замкнутых порах. При снижении температуры химические связи между атомами углерода теряли подвижность, и аргон оказывался запечатанным внутри алмаза.

Как показала рентгеновская дифракция, измеряющая остаточную степень сжатия кристаллического аргона, внутри пор сохранялось давление до 220 тысяч атмосфер. Некоторые крупинки при этом оказывались всего в нанометре от поверхности. Это позволило изучать их методами, недоступными внутри алмазной наковальни, — электронной микроскопией и фотоэлектронной спектроскопией.

Ученые отмечают, что итоговое давление в порах можно задавать путем изменения пикового давления в алмазной наковальне, при котором проводится синтез, — в данном случае оно составило чуть меньше половины от максимального.

Изображение нанокристаллического алмаза с приповерхностными включениями кристаллического аргона, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии. На врезках - дифракционная картина с отмеченными дифракционными пиками кристаллического аргона.
Изображение нанокристаллического алмаза с приповерхностными включениями кристаллического аргона, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии. На врезках – дифракционная картина с отмеченными дифракционными пиками кристаллического аргона. / © https://www.nature.com/articles/s41586-022-04955-z/figures/9

Следует отметить, что подобный процесс происходит и в природе.

Алмазы образуются в земной мантии, на глубине нескольких сотен километров, где давление и температура очень близки к использованным в эксперименте. Если растущий алмаз захватывает окружающий материал, высокое давление внутри него сохраняется даже после путешествия на поверхность. В 2018 году в природных алмазах впервые обнаружили инклюзии, содержащие лед-VII, стабильный лишь выше 22 тысяч атмосфер — ранее предполагалось, что в природе он существует только глубоко в недрах гигантских планет и их спутников.

Где это достижение может оказаться полезным? Эффект Мейснера, заключающийся в выталкивании сверхпроводника магнитным полем и использующийся, например, для магнитной левитации, не требует изготовления сплошного провода: изолированные крупинки сверхпроводника его тоже проявляют. Возможно, мы увидим первые сверхпроводящие «антимагниты» и изделия на их основе уже вскоре после того, как будет открыт комнатный сверхпроводник.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
17 июля
Татьяна

В 2020 году «охотник за чужими мирами», аппарат NASA TESS, обнаружил перспективного кандидата размером с Юпитер. Его обозначили как TIC 241249530 b. В новой работе американские астрономы подтвердили планетную природу объекта и уточнили параметры орбиты. Она оказалась сильно вытянутой, словно огурец. Вероятно, гигант еще не успел мигрировать ближе к звезде и стать настоящим горячим юпитером. Для экзопланет, открытых транзитным методом, это первый случай.

Позавчера, 13:36
Полина Меньшова

Занятия, на которых люди повышают осознанность (майндфулнесс), могут стать причиной измененных состояний сознания, выяснили ученые из Великобритании и Испании. Этот эффект схож с тем, как на организм человека влияют психотропные вещества.

Вчера, 11:05
Даниил Сухинов

Новое исследование ученых из Великобритании показало, почему приматы развили ярко выраженную мимику лица. Все дело в эффективной передаче своих эмоций и намерений. Такие приматы создают более сплоченные социальные группы, занимая в них центральные позиции. Открытие подчеркивает важность мимической коммуникации как у обезьян, так и у людей.

15 июля
Александр Березин

Авторы нового исследования впервые показали, что круглые провалы в лунной поверхности не просто близки к многокилометровым пещерам на естественном спутнике Земли, но и располагают тоннелями, ведущими в глубину.

16 июля
Александр Березин

Традиционное представление о роли человека в земных экосистемах известно: он нарушает их нормальную работу и снижает биоразнообразие. Однако первая попытка изучить следы пыльцы за последние 12 тысяч лет принесла скорее противоположные данные — как минимум для континентов, полностью расположенных в Северном полушарии.

13 июля
Татьяна

Все клеточные организмы ученые ведут от гипотетического предка — LUCA. Существует масса предположений и расчетов о том, как он был устроен, где и когда возник. В новой работе исследователи из Великобритании попытались ответить на эти вопросы.

25 июня
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

1 июля
Александр Березин

Необычный биологический вид, по оценке авторов новой научной работы, пригоден для заселения четвертой планеты без каких-либо предварительных условий — уже в том виде, в котором он существует сейчас. Поскольку речь идет о фотосинтетическом организме, он способен нарабатывать существенное количество кислорода. Интересно, что кандидат на терраформирование Марса сохранил жизнеспособность после месяца в жидком азоте.

[miniorange_social_login]

Комментарии

4 Комментария
-
0
+
Ого, красиво!
Alexander Nazarov
19.08.2022
-
0
+
Интересная статья. Спасибо.
Alexander Nazarov
19.08.2022
-
0
+
Неужели исследования должны проводиться только "методом тыка"? Получается, что учёные настолько плохо до сих пор знают физику элементарных частиц, что не могут перейти к методам математического моделирования?
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно