| | 28 августа 2015 | Новости науки и техники
Рекордно высокое давление «выжимает» тайны из некоторых видов материи
Международная группа ученых, в состав которой вошли ученые из Байройтского университета (University of Bayreuth) и германской исследовательской организации Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), создала статическое давление, имеющее самое высокое значение из когда-либо создаваемых в лабораторных условиях. Используя специальную установку, ученые исследовали поведение и свойства металлического осмия при давлении 770 гигапаскалей, что в два раза превышает давление в центре ядра Земли и что на 130 гигапаскалей выше предыдущего мирового рекорда, установленного в прошлом этой же научной группой. В ходе экспериментов ученые выяснили удивительный факт, заключающийся в том, что кристаллическая структура осмия, в отличие от многих других материалов, не изменяется даже при самом высоком давлении, но электроны при этом сближаются на столь малую дистанцию, что они начинают взаимодействовать друг с другом.
Результаты этих исследований имеют важное значение для понимания физических и химических свойств сильно сжатой материи. Это, в свою очередь, прольет свет на тонкости некоторых процессов, происходящих в недрах материалов огромных и тяжелых конструкций, где также в некоторых точках могут возникать давления подобного порядка. Кроме этого, исследования сжатых материалов позволят разработать научные установки, в недрах которых будут воспроизводиться чрезвычайные условия, присутствующие в недрах гигантских планет и звезд.
Металлический осмий (Os) является одним из уникальных химических элементов, самым плотным материалом, в котором заключено самое большое количество связанной внутренней энергии, имеющим высокую температуру плавления и очень высокую степень прочности, твердость, которая приблизительно соответствует степени прочности алмаза. Из-за его высокой твердости осмий используется во множестве сплавов, применяемых для изготовления электрических контактов, износоустойчивых деталей механизмов и многого другого.
«Высокое давление, как известно, радикально влияет на многие свойства различных химических элементов, такие металлы, как натрий, под высоким давлением становятся прозрачными и обретают свойства диэлектриков. Газы, такие, как кислород, под давлением становятся электрическими проводниками и даже сверхпроводниками» — рассказывает Наталия Дубровинская (Natalia Dubrovinskaia), ученая из Байройтского университета, — «Поэтому мы ожидали, что осмий, как и многие другие материалы, изменит свою кристаллическую структуру под высоким давлением».
Для создания сверхвысокого статического давления ученые использовали специальную установку, основными элементами которой являются «микронаковальни» из нанокристаллического алмаза, размер которых составляет 10-20 микрометров. Материал наковальни состоит из спрессованных «зерен» наноразмерных кристалликов алмаза. Наличие многогранных кристалликов в этом материале позволяет материалу более равномерно перераспределять прикладываемое давление и выдерживать сверхвысокие давления на уровне от 400 до 770 ГПа при комнатной температуре.
Для исследований изменений структуры осмия под высоким давлением ученые использовали источники рентгеновского излучения высокой интенсивности PETRA III в DESY, ESRF во Франции и APS в США. Комбинация всех собранных данных и позволила ученым выяснить, что осмий демонстрирует чрезвычайно высокую структурную стабильность и не меняет структуру своей кристаллической решетки даже при огромном давлении в 770 ГПа.
Под влиянием высокого давления объем элементарной ячейки кристаллической структуры осмия уменьшается, а рентгеновская дифракционная съемка позволила увидеть некоторые аномалии, возникающие в ходе этого процесса. Обычно изменения свойств материалов под давлением связаны с изменениями конфигурации внешних (валентных) электронов атомов. Но в случае осмия источниками аномалий стали взаимодействия между внутренними (основными) электронами атомов, что подтверждает некоторые из существующих теорий. «Наша работа демонстрирует, что сверхвысокое статическое давление может побудить к взаимодействию не только внешние, но и внутренние электроны атомов» — объясняет Леонид Дубровинский, — «И самым интересным является то, что такой эффект возникает только в таких твердых несжимаемых металлах, как осмий. Это открывает нам захватывающие возможности для поиска и исследований новых состояний материи, на базе которых можно будет разработать целую массу новых уникальных технологий».
