Ученые Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН провели ряд экспериментов, направленных на изучение поведения метана в условиях высоких давлений и температур, характерных для «ледяных гигантов» Урана и Нептуна. Используя алмазные наковальни и лазерный нагрев, исследователям удалось воспроизвести состояния метана, при которых зарубежные коллеги предполагали его разложение на водород и алмазный углерод. Однако проведенные эксперименты показали недостатки в модели, разработанной на основе предыдущих исследований. Статья об этом опубликована в журнале ACS Earth and Space Chemistry .
В начале 1980-х годов, при создании модели строения ледяных гигантов Урана и Нептуна, американские исследователи высказали предположение, что соединения-льды, такие как вода, метан и аммиак, в этих планетах формируют глубокую жидкую оболочку. В процессе изучения возник вопрос о состоянии метана — вещества, которое состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода — в условиях недр ледяных гигантов, отличающихся высокими давлением и температурой. В частности, ученых интересовала возможность его распада под воздействием этих факторов на углерод и водород. Предполагалось, что в результате этого процесса в недрах Урана и Нептуна могут образовываться кристаллы и выпадать в виде «дождей» настоящие алмазы.
Первоначальные теоретические исследования стимулировали проведение экспериментов, целью которых было подтвердить или опровергнуть выдвинутую гипотезу. Алмаз признан самым твердым известным веществом и находит применение в научных исследованиях для создания экстремально высоких давлений, достигающих миллионов атмосфер. В рамках экспериментов зарубежные ученые помещали метан в алмазные наковальни и подвергали его лазерному нагреву. Учитывая слабое поглощение метаном лазерного излучения, требовалось добавление нагревателя – инертного материала, не взаимодействующего с образцом, но эффективно поглощающего лазерное излучение. В качестве такого материала использовали платину. После нагрева метана под высоким давлением в присутствии платины, у предыдущих исследователей наблюдалось кристаллизоваться алмазы.
«Наша работа посвящена изучению наук о Земле и других планетах, в особенности, нас интересует поведение вещества при высоких давлениях, поскольку большая часть материи во Вселенной существует именно в таких условиях. Мы также приняли решение присоединиться к экспериментам, чтобы установить, возможно ли образование алмазов из метана при данных условиях. Нас обеспокоило то, что в предыдущих исследованиях не учитывалось химическое состояние нагревателя из платины во время реакции, и его инертность принималась без проверки. Благодаря использованию источника синхротронного излучения в Гамбурге, нам удалось повторить опыты зарубежных коллег и наблюдать формирование алмаза при разложении метана в присутствии платины. Вместе с тем, выяснилось, что в процессе нагрева платина теряет инертность и вступает в реакцию с метаном. Мы установили, что этот металл извлекает водород из метана, формируя гидрид платины — новое химическое соединение, а оставшийся углерод выделяется в виде алмаза. Таким образом, происходит не просто разложение метана, а новая химическая реакция, которая маловероятна в условиях недр ледяного гиганта», — рассказал старший научный сотрудник лаборатории метаморфизма и метасоматизма ИГМ СО РАН кандидат геолого-минералогических наук Сергей Владимирович Ращенко.
Чтобы подтвердить полученные результаты, новосибирские исследователи провели дополнительные эксперименты, в которых заменили платину на золото в качестве нагревательного элемента. Это было сделано потому, что известно, что золото не образует гидридов при высоком давлении. В ходе экспериментов метан нагревали в присутствии золота под давлением, используя алмазные наковальни, и зафиксировали отсутствие кристаллизации алмазов. Это свидетельствует о том, что в условиях, исключающих химические реакции, алмазы не формируются.
«Для проведения таких экспериментов необходимо синхротронное излучение, поскольку исследуемые образцы крайне малы, и требуется пучок диаметром не более нескольких микрон. Планируется достижение этих параметров на станции “Микрофокус”, входящей в состав первой очереди Центра коллективного пользования “Сибирский кольцевой источник фотонов”. Это позволит получить новые результаты в данной области. В настоящее время японские ученые также проводят эксперименты по образованию алмазов, моделирующих условия недр ледяных гигантов. Они использовали кислород, добавленный к метану в форме воды, также присутствующей на этих ледяных гигантах, и добились формирования алмазов в условиях, приближенных к естественным недрам этих планет. Полученные данные находят подтверждение и у отечественных коллег, занимающихся математическим моделированием.
Данный материал создан при финансовой поддержке гранта Министерства науки и инноваций Российской Федерации в рамках проведения Десятилетия науки и технологий