Для получения экзотических форм углерода исследователи приложили огромное усилие, сжав алмаз до рекордного значения, при этом его структура не была разрушена даже под воздействием максимального достигнутого давления.
Углерод, пожалуй, один из самых разнообразных элементов. В различных условиях он может существовать в форме графена, графита, а при экстремально высоких температуре и давлении образует сверхтвердый алмаз. Предполагается, что алмазные структуры формируются не только в глубине Земли, но и на других планетах, при повышении давления они способны трансформироваться в другие, более редкие формы углерода.
Для изучения этих аномальных структур американские исследователи воспроизвели необходимые условия в лабораторных условиях. Эми Лазицки и ее соавторы из Ливерморской национальной лаборатории и Вашингтонского университета подвергли алмазные образцы сжатию при давлении до 2 ТПа (20 миллионов атмосфер) — это вдвое превышает предыдущий лабораторный рекорд и в пять раз больше давления, существующего в ядре Земли.
«Это рекордное значение, достигнутое при определении характеристик кристаллической структуры, — говорит один из ученых, — определив ключевые параметры прочности, плавления и химических связей для углерода». Микроскопические образцы сдавливали мощными лазерными импульсами, параллельно делая снимки дифракции рентгеновских лучей на этих структурах, с наносекундным разрешением по времени. Результаты работы представлены в статье, опубликованной в журнале Nature.
Несмотря на ожидания исследователей, алмаз не трансформировался в другие экзотические формы, даже при достижении рекордного давления. Его кристаллическая структура сохранила стабильность. «Этот полиморф углерода продемонстрировал наибольшую устойчивость среди всех изученных», — отмечает Райан Ригг, один из авторов исследования.
Ригг отмечает, что полученные результаты пересматривают наши знания о поведении углерода в планетах, где формируются алмазы: «Мы теперь полагаем, что алмазные структуры существуют в значительно более широком диапазоне, чем предполагалось ранее». Если новые, необычные формы углерода действительно возникают, то для их образования необходимы весьма специфические условия, которые не всегда встречаются. В то же время, это увеличивает вероятность существования гипотетических планет, состоящих из алмаза почти целиком.