Алмазы под давлением: история одной загадки

Честно говоря, когда я первый раз наткнулся на это исследование, мне пришлось поднимать челюсть с пола. Учёные из Ливерморской национальной лаборатории взяли крошечные кусочки алмаза, сжали их сильнее, чем давление в центре Нептуна и Урана, нагрели сильнее, чем поверхность Солнца — а потом разобрались, что же там происходит с атомами. Вот это я понимаю — наука!

Алмазы everywhere

Забудьте на минуту про кольца и браслеты. Алмаз — самый твёрдый материал из известных — используется в реальных проектах. Например, из него делают капсулы, где держат топливо для термоядерного синтеза. Это та технология, которая может дать человечеству практически бесконечную чистую энергию.

А ещё есть безумная гипотеза: алмазы могут формироваться и даже выпадать в виде «дождя» глубоко внутри планет вроде Нептуна и Урана. Представьте себе — где-то там, в чудовищных глубинах, идёт алмазный дождь.

Двадцать лет путаницы

Так вот, около двадцати лет учёные не могли договориться между собой. Одни сжимали алмаз в своих установках и замеряли температуру плавления. Другие запускали суперкомпьютеры и рассчитывали теоретические значения по законам квантовой механики.

И они не совпадали. Вообще никак. Разница составляла примерно 20%. Это как если бы навигатор показывал вам 120 километров до цели, когда на самом деле ехать 100. Мелочь, но бесит.

Странное поведение углерода

В 2004 году Джона Эггерта ждало удивление. Оказалось, что алмаз при плавлении под давлением становится плотнее, а не расширяется. Большинство веществ ведут себя наоборот — тает лёд, становится водой, объём растёт. Но углерод — особенный. Если бы можно было бросить кусок алмаза в жидкий углерод при высоком давлении, он бы утонул. Причём в прямом смысле.

Была ещё одна загадка. Ранние эксперименты в Сандийской лаборатории намекали, что алмаз перед плавлением может проходить через какую-то промежуточную кристаллическую форму. Компьютерные модели это поддерживали, но никто не мог увидеть расположение атомов напрямую. Как будто кто-то шепчет про секретную комнату в доме, а дверь никто найти не может.

В дело вступают лазеры

Как же всё-таки заглянуть внутрь алмаза в таких безумных условиях? Лазеры, само собой. (Я шучу, но только наполовину.)

Группа учёных отправилась в Омега-лабораторию при Рочестерском университете. Там мощнейшие лазеры буквально испаряли поверхность крошечных алмазных образцов. Испарение создавало ударную волну, которая прошивала алмаз за миллиардную долю секунды. Представьте: сжатие настолько быстрое, что вы даже не успеваете моргнуть.

Но главная сложность была в другом. Нужно было измерить рентгеновскую дифракцию в этот момент — чтобы понять, как выстроены атомы. Проблема: углерод — маленький и лёгкий атом, он плохо рассеивает рентгеновские лучи. Это как пытаться сфотографировать что-то при очень тусклом свете.

«Это невероятно сложно, — объяснял исследователь Мариус Миллот. — Углерод рассеивает так мало рентгеновских лучей, что нужный нам сигнал был просто крошечным».

Прорыв

Но улучшенные датчики сработали. И результаты оказались именно тем, чего все ждали. Новая температура плавления практически идеально совпала с расчётами квантовой механики. Двадцать лет головоломки — и вот оно, решение.

А вот что ещё интереснее: той промежуточной фазы, которую все искали, скорее всего, просто нет. Алмаз остаётся алмазом до самого момента плавления. Никаких тайных переходных стадий, никаких секретных дверей — только прямое превращение из твёрдого в жидкое.

Джон Эггерт, который начинал эти исследования двадцать лет назад, выразился красиво: «Конечно, обидно узнать, что наши прежние измерения температуры были неверны больше чем на 1000 градусов. Но зато как здорово видеть такой огромный прогресс в качестве данных благодаря новым методам диагностики».

Вот это я называю научной честностью. Наука — это не про то, чтобы угадать с первого раза. Это про постоянное улучшение инструментов и идей. Иногда «неправильные» результаты учат нас больше, чем «правильные» — потому что они заставляют придумывать более точные эксперименты.

А зачем нам это знать?

Во-первых, эти данные могут утроить выход энергии в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу. Когда речь заходит о будущем чистой энергии — это серьёзно.

Во-вторых, понимание поведения алмаза при экстремальных давлениях помогает строить лучшие модели того, что происходит внутри ледяных гигантов. Может быть, где-то в глубинах Нептуна и правда идёт алмазный дождь — и теперь мы понимаем, что это значит.

Иногда самое экзотическое поведение материи прячется буквально у нас под носом, запертое внутри самого твёрдого материала из всех, что мы знаем.