Алмаз традиционно считается самым твердым природным веществом на Земле и часто воспринимается как нечто, что никогда не плавится. Однако в экстремальных условиях он все же подвержен плавлению. Ученые недавно провели новый лазерный эксперимент, который позволил получить наиболее точные данные о температуре плавления алмаза, и результаты оказались весьма неожиданными.
Предыдущие исследования указывали на температуру, превышающую фактическую на 1300 градусов по Фаренгейту, что составляло ошибку около 20 процентов. Новое измерение согласуется с теоретическими моделями и помогает разрешить давнюю проблему, которая существовала на протяжении двух десятилетий. Эта находка может сыграть важную роль в понимании процессов термоядерного синтеза энергии, а также внутренней структуры гигантских планет, таких как Уран и Нептун.
Ученые направили мощные ультрафиолетовые лучи на небольшие пластины синтетического алмаза. Шок-волны, образовавшиеся этими лучами, были настолько сильными, что алмаз приобрел блеск, подобный зеркалу, переходя из прозрачного состояния. Резкое изменение блеска служило индикатором плавления алмаза. Исследователи определили температуру, измерив отражение и блеск алмаза.
По словам Мариуса Мильота, ученого из Лоуренс Ливермор Национальной Лаборатории, они сжали образцы алмаза при температурах, превышающих поверхность Солнца, и при давлении, большем, чем в ядрах Нептуна и Урана. Несмотря на это, им удалось измерить плотность, температуру и оптическое отражение атомной структуры.
Кроме того, рентгеновская дифракция показала, что перед плавлением алмаз не претерпевал перехода в какую-либо другую твердую форму. Это объясняется тем, что для перестройки атомов требуется слишком большая энергия.
Разница между предыдущими экспериментами и теоретическими моделями составляла 2240 градусов по Фаренгейту, и ученые пытались объяснить эту расхождение на протяжении двух десятилетий. Новый эксперимент доказал, что реальная температура плавления алмаза значительно ниже предполагаемой. Алмаз был обнаружен в виде жидкого углерода при давлении от 660 до 1060 гигапаскалей и температуре 6727 градусов Цельсия.
По мере увеличения давления доля превращения алмаза в жидкий углерод возрастает. Жидкий углерод представляет собой необычное вещество: оно ведет себя как металл, проводя электричество, и при этом более плотное, чем сам алмаз. Если бы его можно было поместить в чашку, кусок твердого алмаза мог бы плавать в нем, подобно кубику льда.
Эти данные крайне важны для исследований термоядерного синтеза, поскольку синтез — это процесс, питающий звезды и являющийся потенциальным источником будущей энергии. Во многих экспериментах капсулы из алмаза нагреваются и сжимаются лазером, чтобы ввести дейтерий и тритий при давлении свыше 30 петапаскалей и температуре более 100 миллионов градусов Цельсия.
Точное знание температуры позволит сделать модели более достоверными и улучшить результаты термоядерных экспериментов. Аналогично, это поможет лучше понять гипотезу о дожде алмазов и океанах жидкого углерода внутри ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун. Исследователи полагают, что ударные волны могут иногда изменять алмаз в другую твердую форму, и понимание этого критически важно для экспериментов по синтезу. Знание поведения веществ в таких экстремальных условиях откроет новые горизонты не только в энергетических исследованиях, но и в астрономии и физике материалов.