• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
18 августа
Иван Лавренов
4
780

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

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
Позавчера, 12:38
Ольга Иванова

Американские исследователи узнали, что продолжительность жизни пенсионеров зависит не столько от наличия у них хронических заболеваний, сколько от таких простых факторов, как возможность ходить в магазин за продуктами, выполнять уборку в доме, показатели мелких частиц холестерина в крови и вредные привычки, которые они имели ранее.

Вчера, 16:24
Михаил Орлов

Белки рыб, обитающих у дна океана под большим давлением, оказались защищены молекулами триметиламиноксида. Это соединение хорошо связывает воду и не позволяет биологическим молекулам терять правильную трехмерную форму и разрушаться.

Вчера, 12:51
Мария Азарова

В этом году премия досталась Алену Аспе, Джону Клаузеру и Антону Цайлингеру.

1 октября
Сергей Васильев

Моделирование указало, как менялся путь формирования и распада суперконтинентов на протяжении истории Земли. Это позволило ученым предсказать, как и где образуется следующий из них, снова объединив практически всю сушу планеты.

Позавчера, 12:38
Ольга Иванова

Американские исследователи узнали, что продолжительность жизни пенсионеров зависит не столько от наличия у них хронических заболеваний, сколько от таких простых факторов, как возможность ходить в магазин за продуктами, выполнять уборку в доме, показатели мелких частиц холестерина в крови и вредные привычки, которые они имели ранее.

2 октября
Редакция

Итальянский ботаник Стефано Манкузо — о преимуществах естественных отношений и о том, что бывает, когда люди нарушают хрупкое равновесие между биологическими видами. Naked Science печатает отрывок из книги Манкузо La nazione delle piante («Нация растений»).

16 сентября
Алиса Гаджиева

Геродот в своей «Истории» утверждал, что блоки для пирамиды Хеопса и соседних пирамид доставляли по воде. Но сегодня от Нила до пирамид слишком далеко. Исследование кернов, взятых в пойме реки, позволило понять, как именно решался сложнейший вопрос транспортировки такого строительного материала.

15 сентября
Никита Логинов

Светодиоды потребляют намного меньше энергии, чем традиционные газоразрядные лампы, что должно сократить парниковые выбросы. Но при этом светодиодное освещение угрожает здоровью жителей и разрушает местные экосистемы в городах и селах.

6 сентября
Александр Березин

Нашей планете 4,5 миллиарда лет, и 539 миллионов лет на ней тянется эра «явной жизни» (фанерозой) — то есть такой, когда на планете есть крупные, высокоорганизованные животные. Сам собой возникает вопрос: быть может, среди них был разум?

[miniorange_social_login]

Комментарии

4 Комментария

-
0
+
Ого, красиво!
19.08.2022
-
0
+
Интересная статья. Спасибо.
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?
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
Лучшие материалы
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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: