Алмаз — это не просто блестящий камень, а материал, который таит в себе ключи к разгадкам как для планетологии, так и для энергетики будущего. Ученые из Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) совершили прорыв в понимании того, как алмаз плавится под экстремальным давлением, и это может утроить выход энергии в лазерном термоядерном синтезе.

Давление, которое невозможно представить

Исследователи подвергли крошечные образцы алмаза давлению, в три раза превышающему давление в ядре Земли, и температурам, более высоким, чем на поверхности Солнца. Как объясняет ученый LLNL Мариус Милло, им удалось "сжать крошечные алмазные образцы ударной волной до температур, превышающих температуру поверхности Солнца, и до давлений, превышающих давление в центре Нептуна и Урана — и при этом измерить атомную структуру, температуру, плотность и оптическую отражательную способность". Это позволило впервые получить детальные данные о поведении алмаза в таких экстремальных условиях.

Разгадка давней загадки

Новое исследование, опубликованное в Nature, разрешает два давних противоречия в этой области, наконец-то приводя экспериментальные результаты в соответствие с квантово-механическими симуляциями. В течение многих лет ученые не могли понять, почему экспериментальные данные о температуре плавления алмаза расходятся с теоретическими предсказаниями примерно на 20%. "Что бы теоретики ни делали — даже с использованием самых передовых методов компьютерного моделирования — они не могли воспроизвести эксперименты", — говорит Милло.

Ключевой результат: алмазная структура сохраняется вплоть до давления в 1 ТПа (терапаскаль), что противоречит более ранним сообщениям о переходе в фазу BC8 — структуру, которая, согласно теории функционала плотности, должна быть термодинамически стабильной фазой углерода при давлениях выше 1 ТПа. Это открытие не только объясняет расхождения, но и заставляет пересмотреть представления о поведении углерода в недрах планет-гигантов.

Почему это важно для термоядерного синтеза

Алмаз — не просто драгоценный камень. Эта чрезвычайно твердая форма углерода используется для создания капсулы, которая заключает в себе топливо для инерциального термоядерного синтеза (ICF). В этом процессе лазеры сжимают топливную таблетку до экстремальных температур и давлений, чтобы вызвать термоядерную реакцию. Понимание того, как алмаз ведет себя в таких условиях, может напрямую повлиять на эффективность этого процесса.

Применение новых результатов к инерциальному термоядерному синтезу может утроить выход энергии, как отмечается в пресс-релизе лаборатории. Это означает, что мы можем стать свидетелями значительного прогресса в области чистой и практически неисчерпаемой энергии. Ранее прототип термоядерного реактора выдержал рекорд в Ливерморской лаборатории, что приближает такие электростанции к реальности.

Алмазный дождь на ледяных гигантах

Кроме того, ученые считают, что алмазы могут выпадать дождем глубоко внутри ледяных гигантов, таких как Нептун и Уран. В этих условиях материал испытывает колоссальные давления, и новое понимание его поведения может помочь уточнить модели внутреннего строения этих планет. Таким образом, исследование имеет двойное значение: оно приближает нас и к освоению термоядерной энергии, и к разгадке тайн далеких миров. Например, квантовые расчеты показали, что в ядре Юпитера нашли жидкий металл из гелия, что объясняет, почему гиганты излучают вдвое больше энергии, чем получают от Солнца.

Необычное поведение алмаза

Лаборатория LLNL изучает поведение алмаза в экстремальных условиях уже несколько десятилетий. Около 20 лет назад ученый Джон Эггерт и его коллеги провели пионерские эксперименты по плавлению при высоком давлении, в ходе которых обнаружили, что плотность алмаза увеличивается при плавлении. Это довольно необычное свойство, но, как отмечает Милло, у него есть знакомый аналог: "Жидкая вода плотнее льда, поэтому кубики льда плавают. Открытие Джона означает, что при высоких давлениях алмаз будет плавать в жидком углероде".

Это открытие, ставшее вехой в науке, породило новые вопросы, главный из которых — то самое 20-процентное расхождение в температуре плавления, которое теперь удалось разрешить.

Доказательства ударного плавления

Результаты исследования предоставляют доказательства ударного плавления с небольшим снижением температуры плавления с ростом давления вблизи 7300 К. Как подчеркивают исследователи, их работа предоставляет атомные ориентиры для квантовых симуляций конденсированного вещества в экстремальных условиях, что важно для понимания недр планет. Улучшенное понимание плавления алмаза может также иметь значение для достижения более высокого энергетического выхода в лазерном термоядерном синтезе.

Это исследование — яркий пример того, как фундаментальная наука о материалах может привести к практическим прорывам в энергетике и планетологии, открывая новые горизонты для будущих технологий.