Изучена структура углерода под давлением 2000 гПа
Углерод является одним из четырех самых распространенных элементов во Вселенной и выполняет роль важнейшего строительного блока для всех известных форм жизни. Он также составляет внутреннюю часть богатых углеродом экзопланет — их ядра. Ученым потребовались десятилетия, чтобы понять, как кристаллическая структура углерода влияет на свойства материала. Наиболее распространенными структурами углерода на сегодняшний день выступают алмаз и графит, но ученые предсказали существование дополнительных углеродных структур, которые ожидают своего открытия в условиях крайне «недружественного» давления — свыше 1000 гигапаскалей (гПа).
Давление, которое примерно в 2,5 раза превышает давление ядра нашей планеты, находящейся в состоянии «мгновенной смерти», является важным ключом на пути к улучшению научного понимания ядер экзопланет или ядер планет за пределами нашей Солнечной системы. Но эти условия очень трудно воссоздать в лабораториях, что ставит изучение структур материи при чрезвычайно высоких давлениях за рамки эмпирической науки. Это самое высокое давление из всех измеренных атомных структур, которое значительно ограничивает использование уравнений состояния и накладывает ограничения на прочность материала, плавление, а также химическую связь углерода.
К счастью, международной команде исследователей удалось успешно испытать углерод в условиях чрезвычайно высокого давления, достигающего 2000 гПа, что примерно в 5 раз превышает давление, достаточное для мгновенной смерти ядра Земли, а также почти вдвое превышает показатель, при котором кто-либо когда-либо исследовал кристаллическую структуру углерода.
Совместными усилиями ученые сжимали твердый углерод до 2000 гПа с помощью лазерных импульсов рампообразной формы. Исследовательская группа измерила кристаллическую структуру вещества под таким огромным давлением с помощью рентгеновской дифракционной платформы, лабораторных микроскопов и спектрометров. Двусторонний процесс изучения углерода позволил получить наносекундные снимки решетки атома, поэтому ученые смогли обнаружить, как твердый углерод сохраняет свою алмазную структуру при гораздо больших показателях давления, чем предполагалось.
Молекулярные связи алмазов продолжают существовать под огромным давлением, что создает большие энергетические барьеры, изолирующие способность материала переключаться на другие потенциальные структуры. Алмазная фаза углерода, как считают ученые, является самой «упрямой» структурой, которая способна сохранится в гораздо большем диапазоне планетарных условий, чем считалось ранее. А это может иметь определенные последствия для углерода в глубоких недрах планет, где ожидается выпадение алмаза.
