Герметизация фаз высокого давления внутри нанокристаллического алмаза открывает возможность извлечения этих фаз из алмазной наковальни и проведения исследований с использованием новых методов. Благодаря этому, давление, поддерживаемое внутри капсулы, остается близким к тому, что было применено при создании образца.
При значениях давления, превышающих сотни тысяч атмосфер, энергия сжатия приближается к энергии, удерживающей химические связи в веществах и материалах, что приводит к значительным изменениям в их свойствах. В этих условиях графит приобретает структуру алмаза, газообразный кислород проявляет металлические свойства, и формируются соединения с составом, который не наблюдается в нормальных условиях.
Супергидриды представляют собой один из наиболее перспективных классов соединений, поскольку они способны удерживать значительно большее количество водорода, чем это возможно в стандартных химических реакциях. При нормальном давлении литий и лантан формируют гидриды LiH и LaH 3, а при миллионах атмосфер — LiH6 и LaH10.
Супергидриды обладают свойствами сверхпроводников, превосходя по своим характеристикам даже самые передовые высокотемпературные сверхпроводники, функционирующие при нормальном давлении иттрий-бариевого купрата — наиболее перспективным из последних является соединение с температурой перехода в минус 180 градусов Цельсия. У LaH 10 она достигает минус 23 градусов при полутора миллионах атмосфер, и супергидриды еще только начали изучать. Среди них вполне может отыскаться сверхпроводник, остающийся таковым при комнатной температуре, и почти наверняка он будет существовать только при высоком давлении.
Изучение и создание фаз, существующих при высоком давлении, представляет собой достаточно простая задача: алмазные наковальни создают давление до нескольких миллионов атмосфер и пропускают инфракрасное и рентгеновское излучение, которыми можно изучать структуру вещества. К сожалению, почти все эти фазы распадаются при извлечении из наковальни.
Исследователи во главе с доктором Чжиданем Дзэном (Zhidan Zeng) из Научно-технологического центра исследований высокого давления (HPSTAR) и профессором Венди Мао (Wendy Mao) из Стэнфордского университета (Stanford University) предложили способ сохранения фаз высокого давления вне алмазных наковален и проверили его экспериментально.
Они использовали стеклоуглерод — изменение углерода, характеризующееся непроницаемостью для газов и жидкостей при нормальных условиях, однако начинающее проявлять проницаемость под воздействием давления. Атомы углерода в стеклоуглероде связаны с тремя ближайшими атомами, аналогично графиту, но в отличие от последнего, его структура отличается отсутствием упорядоченности на расстояниях, больших, чем атомные.
При формировании трехмерной хаотичной структуры из плоских графитоподобных элементов, между ними образуется значительное количество пустот, что обуславливает низкую плотность стеклоуглерода (1,5 г/см³ по сравнению с 2,5 г/см³ у графита).
В ходе эксперимента ученые поместили стеклоуглерод в алмазную наковальню, затем заполнили ее аргоном и подвергли воздействию сжатия до полумиллиона атмосфер при нагреве до 1800 градусов Цельсия. Изначально, под воздействием давления и температуры, аргон проникал в поры структуры стеклоуглерода, равномерно заполняя ее. Повышение давления и температуры приводило к перестройке химических связей в стеклоуглероде, что приводило к образованию более плотного нанокристаллического алмаза.
В процессе изменения структуры углерода аргон вытеснялся и накапливался в закрытых порах. С уменьшением температуры атомы углерода фиксировались, что приводило к герметичному удержанию аргона внутри алмазной структуры.
Рентгеновская дифракция продемонстрировала, что при измерении остаточной степени сжатия кристаллического аргона внутри пор сохранялось давление до 220 тысяч атмосфер. При этом некоторые частицы располагались всего в нанометре от поверхности. Это предоставило возможность исследовать их с помощью электронмикроскопии и фотоэлектронной спектроскопии, методов, которые недоступны внутри алмазной наковальни.
Итоговое давление в порах можно регулировать, изменяя пиковое давление в алмазной наковальне во время синтеза; в данном случае оно было установлено на уровне, составляющем немногим меньше половины от максимально возможного.
Стоит также указать, что аналогичный процесс наблюдается и в природе.
Алмазы формируются в земной мантии на глубине нескольких сотен километров, в условиях, близких к тем, что используются в лабораторных экспериментах, по температуре и давлению. По мере роста алмаз сохраняет высокое внутреннее давление, даже после того, как поднимается на поверхность, поскольку он захватывает окружающие его материалы. В 2018 году впервые было обнаружено в природных алмазах обнаружили инклюзии, содержащие лед-VII, ранее предполагалось, что данный элемент стабилен только в условиях чрезвычайно высокого давления, превышающего 22 тысячи атмосфер, поскольку в природе он существовал исключительно в глубинных слоях гигантских планет и их спутников.
Где это достижение может оказаться полезным? Эффект Мейснера, эффект, заключающийся в выталкивании сверхпроводника магнитным полем и используемый, например, для магнитной левитации, не обязательно требует изготовления сплошного провода: изолированные частицы сверхпроводника также демонстрируют это свойство. Вероятно, первые сверхпроводящие «антимагниты» и изделия на их основе появятся вскоре после открытия сверхпроводника, работающего при комнатной температуре.