Улучшенная ячейка с алмазными наковальнями позволяет создавать еще большее давление
 Фото классической ячейки с алмазными наковальнями. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
При давлениях, значительно превышающих условия на поверхности Земли, материя может вести себя достаточно странным образом. В частности, кислород может становиться сверхпроводящим, а металлы – превращаться в изоляторы. В 2007 году в ходе эксперимента было обнаружено, что натрий становится прозрачным при давлениях более 200 ГПа (что в 2 миллиона раз превышает давление на поверхности нашей планеты). Кроме того, теоретические исследования предсказывали, что при подобных давлениях можно наблюдать еще несколько радикальных перемен, к примеру, водород должен проявлять металлические свойства.
Ячейки с алмазными наковальнями являются оптимальным устройством для создания высоких давлений. В таких ячейках образец сжимается между двумя крошечными кристаллами алмаза, одного из самых твердых веществ. К сожалению, каким бы твердым ни был алмаз, со временем (при увеличении давления) он все равно разрушается. Это усложняет процесс получения давлений выше 250 ГПа и делает почти невозможным достижение уровня выше 420 ГПа.
До сих пор единственный способ, позволявший перейти за обозначенный барьер давлений, заключался в «бомбардировке» образца ударными волнами, которые кратковременно сжимали его, создавая давления во много сотен гигопаскалей. Однако у этой техники есть две проблемы. Во-первых, она дает лишь несколько наносекунд исследователям для наблюдения за процессами. Кроме того, она создает слишком много тепла, что усложняет процесс исследований (при столь высоком давлении многие из них превращаются в жидкость). Преодоление этих проблем, т.е. разработка методик, позволяющих получать статические давления выше упомянутого предела, было особенно важно для геофизиков, которые пытаются изучить процессы, происходящие в центре Земли, где давление стабильно держится на уровне выше 350 ГПа, а также для исследователей газовых гигантов, где внутреннее давление на много выше.
Для разработки такого инструмента научная группа из University of Bayreuth (Германия), а также их коллеги из Бельгии и США, по-новому посмотрели на существующие ячейки с алмазными наковальнями. Практика показывает, что, когда алмазы все-таки разрушаются, раскол происходит по одной из плоскостей спайности, проходящих через материал. Из предыдущих работ было известно, что алмаз состоит из многочисленных мелких кристаллов, так что эти плоскости спайности не были четко определены.
Из крошечных шариков углерода при давлении 20 ГПа и при температуре 2200 по шкале Кельвина с помощью недавно разработанного метода исследователи подготовили два нанокристаллических полушария из алмаза (около 12 – 20 мкм в диаметре). Затем они создали двухступенчатые алмазные наковальни. С внешней стороны были расположены две алмазные пластины, а внутри они поместили сформированные полушария, причем их плоские края контактировали с алмазными пластинами, а полукруглые – были направлены в сторону образца. Это дало наименьшую площадь контакта, что позволяет добиться максимального давления на образец. После некоторой оптимизации устройства, исследователи смогли получить давление в 640 ГПа.
Ученые полагают, что использование компьютерного контроля позволит стабилизировать давление в созданной ими установке. После решения этой задачи, они надеются получить еще большие давления. Кроме того, они планируют улучить характеристики самих наковален. Твердость нанокристаллов алмаза, как и характеристики любого другого поликристаллического материала, меняется, в зависимости от размеров и формы. Таким образом, эксперименты с различными вариантами нанокристаллов могут сыграть существенную роль в развитии методики.
Результаты работы были опубликованы в журнале Nature Communications.
Также по теме:
- Структурный цвет из кластеров нанокристаллов
- Полупроводниковые нанокристаллы помогут производить водородное топливо
- Нанопроизводство достигает нового уровня сложности
- Капсулы из графена помогают наблюдать за процессом роста нанокристаллов
- Ученые из США «взломали» проблему производства монокристаллов наноразмера
Источники: