Ученые давно научились подвергать материалы статическим давлениям, сравнимым с давлением в центре Земли, и долгое время в этой области не было дальнейшего прогресса. Теперь достигнутое в лабораториях давление сравнилось с недрами ледяных гигантов — Урана и Нептуна. Naked Science рассказывает, каким образом физикам удалось сделать следующий шаг.

Есть особый вид физических исследований, которым присущ почти спортивный азарт, — гонка за «самым-самым». Самые низкие и самые высокие температуры, достигнутые в лаборатории, самое сильное магнитное поле и самые высокие энергии частиц, самый высокий вакуум и самое высокое давление. Погоня за рекордами по каждой из этих величин приносила и продолжает приносить множество результатов — как открытий, связанных с поведением материи в экстремальных условиях, так и технических инноваций.

В этой статье мы расскажем о новом достижении в экспериментальном изучении высоких давлений и о том, как после полувекового «застоя» был сделан следующий шаг.

Высокое давление преображает материю

В физике высокое давление определяется именно так: оно меняет сами свойства и поведение вещества. Поэтому его диапазон начинается с многих тысяч атмосфер. Сначала при повышении давления начинают происходить фазовые переходы: обычные кристаллические структуры сменяются более плотными, причем, чем прочнее кристаллическая решетка, тем позднее они начинаются. Водяной лед подвергается изменениям при двух с небольшим тысячах атмосфер, а кварц — при 30 тысячах.

Зависимость состояния воды от давления и температуры (фазвая диаграмма). По вертикали — давление (1 МПа = 10 атмосфер), по горизонтали — температура. Оттенками синего отмечены модификации льда, оранжевыми линиями — точки одинаковой плотности жидкой воды / ©hmong.ru

Затем воздействие распространяется на химические связи. Бензол переходит в полимерную форму при 300 тысячах атмосфер, а при 1,4 миллиона атмосфер то же самое происходит со славящимся своей инертностью азотом. Высокое давление повышает скорость реакций, и, если что-то может с чем-то прореагировать, под достаточно высоким давлением оно это сделает. Это как с электричеством: не бывает плохих проводников, бывают недостаточно высокие напряжения.

При еще более высоких давлениях, начиная с нескольких миллионов атмосфер, химические свойства элементов, определяющие состав их соединений в обычных условиях, уступают дорогу только одному стремлению — упаковать оказавшиеся под давлением атомы как можно плотнее. В привычной среде натрий может соединяться только с одним атомом хлора, образуя каменную соль NaCl, а при миллионах атмосфер это железное правило из школьных учебников химии существенно размягчается — и образуются немыслимые соединения NaCl₃ и Na₃Cl.

Трансформации в химическом связывании в субгалогенидах натрия при повышении давления. Слева направо: структуры металлического натрия и поваренной соли, существующих отдельно при обычном давлении, поэтапное вхождение хлора в структуру натрия, образование связей между атомами хлора. Синие кружки – атомы натрия, зеленые – хлора. / ©pubs.rsc.org

При миллионах и миллиардах атмосфер энергия сжатия, выражающаяся в виде произведения давления на объем, превосходит энергию не только химических связей, но и связи собственных электронов атомов с ядром. Электроны «перестают чувствовать» связь с атомами и делокализуются, и при достаточно высоком давлении любые химические элементы и их сочетания рано или поздно обретают металлическую электропроводность. У гелия этот переход, согласно теоретическим расчетам, наступает при 330 миллионах атмосфер, поэтому даже в недрах Юпитера он все еще не проводит электрический ток.

Физика высоких давлений нередко приносит не те результаты, на которые изначально надеялись исследователи. Металлический водород, один из «священных граалей» в этой области, при обычном давлении оказывается неустойчив. Но попытки его получить привели к множеству других интересных открытий. Оказалось, под высоким давлением в состав химических соединений может входить гораздо больше водорода, чем это позволено валентностью. Некоторые из них — как, предположительно, и сам металлический водород — обладают высокотемпературной сверхпроводимостью.

К примеру, лантан в обычных условиях, в полном соответствии с его химическими свойствами, соединяется только с тремя атомами водорода, образуя гидрид LaH₃, но под давлением число атомов водорода может дойти до десяти. При 1,5 миллиона атмосфер супергидрид лантана LaH₁₀ становится сверхпроводником при температурах от минус 23 до плюс семи градусов Цельсия. По сравнению с жидким азотом, требующимся для охлаждения более традиционных купратных сверхпроводников, эта температура — почти комнатная. Не исключено, что какой-нибудь из супергидридов окажется достаточно метастабилен, чтобы его можно было использовать для хранения водорода, а какой-нибудь другой — для практического применения высокотемпературной сверхпроводимости.

Согласно теоретическим расчетам, сам металлический водород распадается при снижении давления до 100 тысяч атмосфер, но если для какого-нибудь из его сверхпроводящих сплавов эту цифру удастся понизить в десять раз и поместить сплав в углеродные нанотрубки (которые могут сдавливать свое содержимое до 400 тысяч атмосфер при облучении электронным пучком), то, возможно, из них удастся делать провода. Эксперименты под высоким давлением позволили объяснить и недостаток ксенона в атмосферах Земли и других планет. Оказывается, под давлением ксенон способен замещать кремний в кварце, и, вероятно, он крепко связан с горными породами в глубине земной мантии и со льдами высокого давления в недрах Урана и Нептуна.

Создание высоких давлений

В физике часто бывает, что при увеличении физической величины сложность ее достижения возрастает неравномерно. Сначала пригодны многие технические решения, а дальше все зависит от технологических прорывов и изобретений: совершенствование предыдущей технологии борется за проценты, а следующая позволяет скакнуть на порядок величины.

Давление в десять атмосфер может создать каждый — достаточно просто очень сильно надавить пальцем или налечь на автомобильный насос. Сотня атмосфер тоже не представляет трудности — таково давление в баллоне с аргоном для сварки. Давление в тысячу атмосфер набирается при замерзании воды в замкнутом объеме. Десять тысяч атмосфер — давление более, чем серьезное: столько выдержит не каждая сталь, и толщина стенок, удерживающих рабочий объем, оказывается намного больше его собственного размера. И все же такое давление по силе вполне обычному гидравлическому прессу и хорошей стальной пресс-форме.

Дальнейшего повышения давления сталь и обычные конструкционные материалы не выдерживают. Для ста тысяч атмосфер требуются наковальни специальной формы из сверхтвердых материалов, и еще пол-порядка величины можно «выжать» с помощью многоступенчатых наковален, за изобретение которых Перси Бриджмен в 1946 году получил Нобелевскую премию. Это монструозные конструкции, в недрах которых даже разглядеть рабочий объем сложновато, а измерить что-нибудь внутри него – тем более. Внешние поршни делаются стальными, а внутренние, контактирующие с образцом — из карбида вольфрама или других сверхтвердых промышленных материалов. Рекорд давления, полученного Бриджменом, составил 0,4 миллиона атмосфер.

Сдавливающий аппарат двухступенчатого пресса. Образец помещается между маленькими кубами из сверхтвердого материала в центре изображения / ©highpressure.ethz.ch

В первой половине двадцатого века исследователям могло показаться, что следующий шаг по достижению высоких давлений будет сделан нескоро. Но впереди был прорыв.

Алмазные наковальни

Чтобы добиться максимально возможного давления, наковальни нужно делать из самого твердого из известных материалов. Очевидным решением являлся алмаз, уже использовавшийся в промышленности с 19 века, но технические алмазы, которые не жалко, для этой цели не годны. В наковальнях требуется алмаз ювелирного качества, да еще и ограненный специальным образом. И все-таки, другого выбора не было и нет. Поняв, что остальные известные сверхтвердые технологические материалы не дадут существенного преимущества в сравнении с карбидом вольфрама, ученые наконец обратили на алмаз внимание, и наука высоких давлений сделала огромный шаг вперед.