Золото меняет кристаллическую решетку при давлении в десять миллионов атмосфер

Ес­ли вы ду­ма­ли, что про свой­ства зо­ло­та уже все из­ве­ст­но, — этот текст за­ста­вит вас уди­вить­ся.

Внут­ри пла­нет-­ги­ган­тов дав­ле­ние под­ни­ма­ет­ся вы­ше ми­л­ли­о­на ат­мо­сфер Зе­м­ли. Под та­кой чу­до­ви­щ­ной си­лой при­вы­ч­ные ма­те­ри­а­лы ве­дут се­бя стран­но: их ато­мы пе­ре­стра­и­ва­ют­ся в не­о­жи­дан­ные струк­ту­ры, а свой­ства ме­ня­ют­ся. Что­бы по­нять, что там тво­ри­т­ся, фи­зи­кам при­хо­ди­т­ся раз за ра­зом ис­пы­ты­вать пре­де­лы сво­их ла­бо­ра­тор­ных уста­но­вок.

Не­дав­но груп­па уче­ных из Ли­вер­мор­ской на­ци­о­наль­ной ла­бо­ра­то­ри­и(LLNL) с кол­ле­га­ми ре­ши­ла эту за­да­чу на при­ме­ре зо­ло­та. Они по­ста­ви­ли ре­корд: из­ме­ри­ли струк­ту­ру это­го ме­тал­ла под са­мым вы­со­ким дав­ле­ни­ем за всю ис­то­рию. Ока­за­лось, что при 10 ми­л­ли­о­нах зе­м­ных ат­мо­сфер зо­ло­то ме­ня­ет свою кри­стал­ли­че­скую ре­шет­ку. Ре­зуль­та­ты ва­ж­ны не толь­ко для пла­не­то­ло­гии, но и для ис­сле­до­ва­ний в об­ла­сти управ­ля­е­мо­го тер­мо­я­дер­но­го син­те­за.

По­дроб­но­сти опуб­ли­ко­ва­ны в из­да­нии Physical Review Letters.

Один из ав­то­ров ра­бо­ты, Эми Ко­ул­ман, объ­яс­ня­ет: экс­пе­ри­мен­ты поз­во­ли­ли за­г­ля­нуть в ато­м­ные пе­ре­ста­но­в­ки, ко­то­рые про­ис­хо­дят на пре­де­ле воз­мо­ж­но­стей со­вре­мен­ной на­у­ки. Зо­ло­то для та­ких опы­тов вы­бра­ли не слу­чай­но — это стан­дар­т­ный эта­лон в фи­зи­ке вы­со­ких дав­ле­ний. Оно хи­ми­че­ски ста­биль­но, его ле­г­ко про­све­чи­вать рен­т­ге­ном, и при обы­ч­ных усло­ви­ях оно ве­дет се­бя пред­ска­зу­е­мо. Но вот на экс­тре­маль­ных зна­че­ни­ях ра­нь­ше бы­ли рас­хо­ж­де­ния ме­ж­ду тео­ри­ей и пра­к­ти­кой.

Ес­ли мы точ­но зна­ем, как ве­дет се­бя зо­ло­то, то все ис­сле­до­ва­ния, где оно слу­жит ка­ли­б­ра­то­ром — будь то изу­че­ние ядер пла­нет или со­з­да­ние но­вых ма­те­ри­а­лов — бу­дут опи­рать­ся на на­де­ж­ную ба­зу, — по­яс­ня­ет Ко­ул­ман.

До­стичь та­ко­го дав­ле­ния безу­м­но труд­но. Ис­сле­до­ва­те­ли схи­т­ри­ли: они сфор­ми­ро­ва­ли спе­ци­аль­ные ла­зер­ные им­пуль­сы на двух ги­ган­т­ских уста­но­в­ках — На­ци­о­наль­ном ко­м­плек­се за­жи­га­ни­я(NIF) и ла­зер­ной си­сте­ме OMEGA EP в Ро­че­стер­ском уни­вер­си­те­те. Им­пуль­сы поз­во­ли­ли со­з­дать за­пре­дель­ное дав­ле­ние, но при этом со­хра­нить зо­ло­то твер­дым, не пе­ре­гре­вая его. Вдо­ба­вок тре­бо­ва­лась сверх­точ­ная син­хро­ни­за­ция: рен­т­ге­но­в­ские сни­м­ки ато­м­ной ре­шет­ки де­ла­ли за од­ну ми­л­ли­ар­д­ную до­лю се­кун­ды.

По сло­вам Ко­ул­ман, толь­ко не­дав­но та­кие ко­м­плек­сы, как NIF, на­у­чи­лись од­но­вре­мен­но со­з­да­вать по­доб­ные дав­ле­ния и успе­вать сфо­то­гра­фи­ро­вать, что про­ис­хо­дит с ато­ма­ми. Этот экс­пе­ри­мент дал пе­р­вое чет­кое изоб­ра­же­ние кри­стал­ли­че­ской струк­ту­ры зо­ло­та в та­ких не­че­ло­ве­че­ских усло­ви­ях и на­ко­нец-то при­ми­рил дав­ний спор тео­ре­ти­ков с пра­к­ти­ка­ми.

В обы­ч­ных усло­ви­ях ато­мы зо­ло­та вы­стра­и­ва­ют­ся в гра­не­цен­три­ро­ван­ную ку­би­че­скую ре­шет­ку — это как куб, где ато­мы си­дят по уг­лам и в цен­т­ре ка­ж­дой гра­ни. Уче­ные вы­яс­ни­ли, что та­кая струк­ту­ра оста­ет­ся ста­биль­ной при дав­ле­ни­ях ку­да вы­ше, чем пред­ска­зы­ва­ли ста­рые мо­де­ли. Она про­дер­жа­лась вплоть до зна­че­ний, вдвое пре­вы­ша­ю­щих дав­ле­ние в цен­т­ре Зе­м­ли. А по­том зо­ло­то на­ча­ло ме­нять­ся. Часть ато­мов пе­ре­стро­и­лась в объ­е­м­но-­цен­три­ро­ван­ную ку­би­че­скую ре­шет­ку(а­то­мы по уг­лам ку­ба и один в цен­тре). При этом остат­ки ис­ход­ной струк­ту­ры ни­ку­да не де­лись — обе фор­мы со­су­ще­ство­ва­ли. Ко­ул­ман под­чер­ки­ва­ет, что те­перь у ис­сле­до­ва­те­лей есть бо­лее проч­ный фун­да­мент для ис­поль­зо­ва­ния зо­ло­та как сверх­проч­но­го эта­ло­на и для изу­че­ния ма­те­рии на пре­де­ле.

Сто­и­мость и до­сту­п­но­сть­

Тех­но­ло­гия безу­м­но до­ро­га, по­то­му что ис­поль­зу­ет ме­гауста­но­в­ки вро­де NIF — это ми­л­ли­ар­ды дол­ла­ров на по­строй­ку и ми­л­ли­о­ны на один пуск. Та­кие экс­пе­ри­мен­ты до­сту­п­ны лишь эли­т­ным ла­бо­ра­то­ри­ям ми­ра, и ко­м­мер­че­ско­го при­ме­не­ния тут ждать не сто­ит.

Что бы­ло ра­нь­ше

До это­го бы­ли про­ти­во­ре­чия: од­ни рас­че­ты го­во­ри­ли, что зо­ло­то сме­нит струк­ту­ру ра­нь­ше, дру­гие — поз­же. Экс­пе­ри­мен­ты в ста­ти­че­ских усло­ви­ях на ал­маз­ных на­ко­валь­нях упи­ра­лись в по­то­лок в рай­о­не 300-400 ги­га­пас­ка­лей. Здесь же уда­лось впе­р­вые на­де­ж­но из­ме­рить струк­ту­ру в те­ра­пас­каль­ном ди­а­па­зо­не(о­дин те­ра­пас­каль — 10 млн ат­мо­сфер). Это не ре­во­лю­ция, а ма­лень­кий, но ва­ж­ный ша­жок — за­кры­ли тео­ре­ти­че­ский спор и уточ­ни­ли эта­лон.

Срав­не­ние с ана­ло­га­ми

Ана­ло­гов нет. Есть ста­ти­че­ские ал­маз­ные на­ко­валь­ни — они де­шев­ле, но да­ют дав­ле­ние ма­к­си­мум 5-10% от до­сти­г­ну­то­го. Есть ди­на­ми­че­ские удар­ные вол­ны на га­зо­вых пу­ш­ках — те в ра­зы сла­бее и не да­ют чет­кой кар­ти­ны струк­ту­ры. Толь­ко ла­зер­ные ме­гауста­но­в­ки с рен­т­ге­но­в­ской ди­а­г­но­сти­кой поз­во­ля­ют та­кое.

Огра­ни­че­ния ис­сле­до­ва­ни­я

Экс­пе­ри­мент из­ме­ря­ет струк­ту­ру в ди­на­ми­ке, ко­г­да дав­ле­ние ска­чет и те­м­пе­ра­ту­ра не иде­аль­но ста­биль­на. Уче­ные са­ми при­з­на­ют, что ну­ж­на бо­лее точ­ная ди­а­г­но­сти­ка те­м­пе­ра­ту­ры. Ины­ми сло­ва­ми, они уви­де­ли со­су­ще­ство­ва­ние двух фаз, но не мо­гут точ­но ска­зать, где гра­ни­ца пе­ре­хо­да — воз­мо­ж­но, часть эф­фек­та вы­з­ва­на не чи­стым дав­ле­ни­ем, а быст­рым на­гре­вом в на­но­се­кун­дах.