Закрытие фаз высоких давлений в нанокристаллическом алмазе дает возможность извлекать их из алмазной наковальни и исследовать ранее недоступными методами. Внутри капсулы поддерживается давление, сопоставимое с тем, которое применялось при синтезе.
При давлении сотен тысяч атмосфер энергия сжатия сравнивается с энергией химических связей, из-за чего свойства веществ меняются существенно. Графит превращается в алмаз, кислород становится металлом, а образуются соединения, невозможные в обычных условиях.
Супергидриды — один из самых интересных классов соединений, поскольку содержат значительно больше водорода, чем это возможно в рамках традиционной химии. При нормальном давлении литий и лантан образуют гидриды LiH и LaH. 3, а при миллионах атмосфер — LiH6 и LaH10.
Многие супергидриды обладают свойством сверхпроводимости и превосходят по показателям даже самые высокотемпературные сверхпроводники, работающие при нормальном давлении. иттрий-бариевого купрата— самого перспективного из последних составляет минус 180 градусов Цельсия. У LaH 10 она достигает Температура -23 градуса, давление полмиллиона атмосфер, а супергидриды лишь начинаются. начали Среди этих объектов возможно найти сверхпроводник, работающий при обычной температуре, но, скорее всего, это произойдет только при высоком давлении.
Создание и изучение фаз высокого давления достаточно простое занятие. алмазные наковальниСоздают давление до нескольких миллионов атмосфер и пропускают инфракрасное и рентгеновское излучения, которые позволяют изучать структуру вещества. К сожалению, почти все эти фазы разрушаются при извлечении из наковальни.
Врачи под руководством доктора Чжидань Дзэн из Центра высоких давлений для научных исследований и технологий (Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research, HPSTAR) и профессора Венди Мао из Стэнфордского университета. предложили Исследователи изучили способ поддержания высоких давлений, не используя алмазные наковальни, и подтвердили его опытным путем.
Они использовали стеклоуглерод Это модификация углерода, которая обычно непроницаема для газов и жидкостей, но пропускает их при давлении. Каждый атом углерода связан с тремя соседями, как в графите, но его структура беспорядочна на больших, чем атомы, масштабах.
Объединяя плоские фрагменты, похожие на графен, в трёхмерную беспорядочную сеть, между ними образуется большое пустое пространство. Это приводит к очень низкой плотности стеклоуглерода (1,5 грамма на кубический сантиметр против 2,5 у графита).
Ученые поместили стеклоуглерод в алмазную наковальню, наполнили ее аргоном и подвергли содержимое сжатию до полумиллиона атмосфер при нагреве до 1800 градусов Цельсия. Аргон первоначально заполнял пустоты структуры стеклоуглерода, как губка. Повышение давления и температуры перестраивало связи в стеклоуглероде, превращая его в нанокристаллический алмаз большей плотности.
В процессе изменения формы угольной структуры аргон выталкивался и накапливался в закрытых пространствах. Уменьшая температуру, связь между атомами углерода становилась неподвижной, и аргон оказывался заключённым внутри алмаза.
Рентгеновская дифракция, определяющая остаточное давление сжатия кристаллического аргона, показала, что внутри пор сохранялось давление до 220 тысяч атмосфер. Некоторые частицы располагались в нанометре от поверхности. Такое положение позволило исследовать их методами, недоступными внутри алмазной наковальни: электронной микроскопией и фотоэлектронной спектроскопией.
Специалисты выяснили, что конечное давление внутри пор можно регулировать с помощью пикового давления в алмазной наковальне, используемой для синтеза, которое здесь было почти вдвое ниже максимально возможного.
Важно заметить, что такой же процесс наблюдается и в природе.
Алмазы формируются в земной мантии на глубине нескольких сотен километров, где давление и температура почти идентичны тем, которые применяются в эксперименте. При росте алмаза окружающий материал может быть захвачен им. Высокое давление внутри сохраняется даже после подъёма на поверхность. В 2018 году в природных алмазах впервые… обнаружили инклюзии, содержащие лед-VIIДостигает устойчивого состояния только при давлении свыше 22 тысяч атмосфер; раньше считалось, что в природе встречается лишь в глубине крупных планет и их лун.
Где это достижение может оказаться полезным? Эффект МейснераЭтот метод, основанный на воздействии магнитного поля на сверхпроводник для его отталкивания, например, для магнитной левитации, не нуждается в изготовлении цельного провода: отдельные частицы сверхпроводника также демонстрируют этот эффект. Возможно, первые сверхпроводящие «антимагниты» и изделия из них появятся после открытия сверхпроводимости при комнатной температуре.