Международная группа физиков при участии специалистов из Балтийского федерального университета (Калининград) добилась рекордных показателей статического давления — свыше одного триллиона паскалей или десяти миллионов атмосфер. Это давление равносильно оказываемому десятью Эйфелевыми башнями, стоящими на кончике пальца и в три раза превышает давление в центре Земли. Ключом к рекорду стал новый материал с необычайно высокими механическими характеристиками. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает Pro Physik.

Для создания таких высоких давлений авторы использовали двухступенчатую алмазную наковальню. В ней между двумя сжимаемыми алмазами ученые поместили шарики из нанокристаллического алмаза. Последний обладал необычайно высоким пределом текучести — 460 гигапаскаль, в тысячу раз превышающим такой показатель у стали. Как отмечают физики, достичь таких характеристик удалось благодаря малому размеру зерен наноалмазов. Авторы добились диаметра кристаллитов от 2 до 15 нанометров. 

Микрофотография шарика из наноалмазов. Natalia Dubrovinskaia et al. / Science, 2016

Для того, чтобы зафиксировать давление, развиваемое в наковальне с нанокристаллическими алмазами, физики воспользовались синхротронным излучением. С помощью излучения авторы определяли насколько деформировалась кристаллическая решетка тестового образца (в данном случае золотой пластинки) и пересчитывали эту деформацию в давление. Эксперимент был повторен в трех различных синхротронных центрах. 

Наковальня, по словам ученых, обеспечила давление в 10,65 миллиона атмосфер — это подтверждает рентгеновская дифракция. Дифракционные данные накапливались в течение 120 секунд. Раньше такие давления были доступны лишь в импульсном режиме — например, с помощью лазерных или взрывных воздействий.

Схема двухступенчатой алмазной ячейки. Изображение: DESY / Elena Bykova

Физики обращают внимание на то, что предел текучести хотя и связан с максимальным давлением в наковальне, не равен ему. Так, традиционные эксперименты с монокристаллическими алмазами позволяют развивать давления вплоть до 4,5 миллионов атмосфер, хотя сами алмазы обладают пределом текучести до 140 гигапаскаль (1,4 атмосферы). 

Предел текучести — одна из механических характеристик материалов. Она отражает то, как меняются деформации при росте давления. При небольших давлениях работает «школьный» закон Гука — с ростом нагрузки размеры объектов меняются линейно. Затем возникает плато — небольшой рост давления приводит к значительным деформациям. Давление, при котором наблюдается изгиб графика и есть предел текучести. Следующий предел — предел прочности, после которого наступает разрушение материала.

Подобные давления позволяют исследовать поведение материалов в экстремальных условиях. Оказывается, вещества при этом могут значительно изменять свои свойства: натрий, типичный металл, становится прозрачным диэлектриком при двух миллионах атмосфер, сероводород  бьет рекорды сверхпроводимости, а графит превращается в лонсдейлит. Предыдущий рекорд — 7,7 миллионов атмосфер — заставил внутренние электронные оболочки осмия взаимодействовать с внешними. 

Автор: Владимир Королёв