Физики выяснили, как алмаз меняет свойства при плавлении в условиях экстремального давления и температуры. Этот минерал считается самым твердым из встречающихся в природе на Земле, однако при сильнейшем воздействии он способен переходить в жидкое состояние. В ходе такого процесса атомы углерода теряют упорядоченность, но до самого плавления кристалл сохраняет привычную кубическую структуру.
Эксперименты провели специалисты Ливерморской национальной лаборатории совместно с коллегами, использовав лазерный комплекс OMEGA в Университете Рочестера. Лазерные импульсы создавали ударные волны в миниатюрных образцах алмаза и обеспечивали давление от 600 гигапаскалей до 1,8 терапаскаля. Исследователи одновременно отслеживали скорость ударной волны, температуру, отражающую способность материала и изменения его атомной решетки при помощи рентгеновских лучей. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics.
Новые измерения показали, что при давлении около 1 терапаскаля алмаз плавится примерно при 7 300 Кельвинах. Этот показатель оказался заметно ниже прежних экспериментальных оценок и совпал с теоретическими расчетами. Как отметил физик Джон Эггерт, первоначальные данные о температуре отличались более чем на 1 000 градусов, однако новые методы позволили существенно повысить точность наблюдений.
Рентгеновские данные подтвердили, что при росте давления сигнал от кристаллической решетки алмаза постепенно ослабевал и исчезал после плавления. При этом ученые не обнаружили заметного перехода в предполагаемую фазу углерода BC8. Вместо этого твердый алмаз и жидкий углерод сосуществовали, пока образец полностью не расплавлялся. По мнению авторов, быстрая ударная компрессия не оставляет времени на разрыв и перестройку прочных углеродных связей, необходимых для образования BC8.
При таких давлениях твердый алмаз оказался менее плотным, чем расплавленный углерод, поэтому теоретически он мог бы плавать на поверхности углеродного расплава. В части диапазона плавления повышение давления также снижает температуру перехода материала в жидкое состояние. Полученные данные могут помочь в изучении недр Урана и Нептуна, где возможны похожие условия.
Результаты важны и для экспериментов по инерционному термоядерному синтезу, в которых алмаз используют в качестве материала мишеней. Более точная модель поведения углерода при сжатии позволит улучшить компьютерные расчеты таких установок. По оценке исследователей, обновленные данные способны увеличить прогнозируемый энергетический выигрыш в моделях до 3 раз.
