• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
18.08.2022
Иван Лавренов
4
958

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
Позавчера, 18:52
Мария Азарова

Два фешен-гиганта, одни из самых известных в мире массмаркета, — шведская компания H&M и испанская Zara — оказались косвенно причастны к разрушению окружающей среды Бразилии. К такому выводу пришли авторы крупного расследования, изучившие различные данные, в том числе полученные под прикрытием.

Сегодня, 07:22
Полина Меньшова

У детей, которые чувствуют себя обузой для других, чаще возникают суицидальные мысли, выяснили специалисты из США. Кроме того, на психологическое состояние в раннем подростковом возрасте влияют некоторые действия со стороны родителей или опекунов.

7 часов назад
Дарья Г.

В рамках обзора «Гайя» астрономы обнаружили двойную звезду, состоящую из крайне бедного металлами гиганта и темного объекта массой в 33 раза больше Солнца. Видимо, это черная дыра, а точнее — рекордная по массе черная дыра звездной массы в Млечном Пути. Причем по галактическим меркам она находится недалеко от нас.

Позавчера, 18:52
Мария Азарова

Два фешен-гиганта, одни из самых известных в мире массмаркета, — шведская компания H&M и испанская Zara — оказались косвенно причастны к разрушению окружающей среды Бразилии. К такому выводу пришли авторы крупного расследования, изучившие различные данные, в том числе полученные под прикрытием.

12 апреля
Полина Меньшова

Особенности личности — в частности, степень экстравертности — влияют на то, кто с большей вероятностью будет одиноким, а кто вступит в отношения. Типы личности также связаны с уровнем общей удовлетворенности жизнью. К таким выводам пришли ученые из Канады.

11 апреля
Ольга Иванова

Американские ученые пришли к выводу, что ценности, подчеркивающие важность терпимости и индивидуализма, во всем мире за последние 40 лет резко разошлись, особенно между западными странами с высоким уровнем дохода и остальными государствами.

18 марта
Игорь Байдов

Грузовой самолет будут использовать для перевозки 90-метровых лопастей ветряных турбин, которые невозможно доставить по суше из-за размеров. Предполагается, что этот аппарат произведет революцию в сфере возобновляемых источников энергии.

8 апреля
Василий Парфенов

Режим работы, количество трудовых часов в неделю и экономическую стабильность профессии прочно ассоциируют с благополучием человека. Количественно и качественно определить эти взаимосвязи получается редко — нужны большие выборки респондентов и длительное время наблюдений. Автор новой научной работы использовал долговременное исследование более чем семи тысяч американцев, чтобы выявить основные эффекты паттернов трудовой деятельности на психическое и физическое здоровье работающих людей.

28 марта
Игорь Байдов

Американская компания JetZero, которая обещает произвести фурор в гражданской авиации, получила сертификат летной годности на испытания уменьшенной копии разрабатываемого ею сверхэффективного реактивного авиалайнера со «смешанным крылом». Предстоящая программа летных испытаний будет направлена на оценку летно-технических характеристик самолета, его устойчивости и управляемости.

[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
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: