Работа над исследованием велась более 2 лет, Игорь Абрикосов работал над теоретической частью научного исследования, в результате исследования были достигнуты качественные результаты. Данную работу Игорь Абрикосов без преувеличения называет научным открытием.
Мы предлагаем Вам ознакомиться с эксклюзивным русскоязычным пресс-релизом по научной статье, который Игорь Абрикосов предоставил специально НИТУ «МИСиС».
C момента изобретения ячейки с алмазными наковальнями в конце 1950-ых для исследования материалов в экстремальных условиях, максимальное статическое давление, реализуемое при комнатной температуре, всё время увеличивалось. Тем не менее, максимально достижимое давление составляло около 4 миллионов атмосфер (400 ГПа). В данной работе было достигнуто давление почти вдвое выше: при сжатии самого несжимаемого металла — осмия, максимальное давление составило 7.7 миллионов атмосфер. Рекордный результат был достигнут благодаря комбинации целого ряда самых современных методов: установки для создания сверхвысоких давлений, разработанной в Байройтском университете (Германия), синхротронов APS (США), ESRF (Франция), и PETRA III (Германия), а также суперкомпьютеров в Швеции, Франции и России, использовавшихся для моделирования. Удивительно, что даже при давлениях, вдвое превышающих давление в центре Земли, учёные имели полный контроль измерения свойств материалов и фиксировали их изменения с высочайшей точностью. Так, было обнаружено, что сжатие до 4.4 миллиона атмосфер приводит к взаимодействию внутренних электронов атомов осмия, которое влияет на межатомные расстояния. Этот фундаментальный результат был опубликован в «Nature» и имеет очень большое значения для понимания физики и химии вещества под высоким давлением, а также для разработки материалов, ориентированных на применение в экстремальных условия, и для моделирования гигантских планет и звёзд.
Известно, что сверхвысокое давление существенно влияет на свойства химических элементов: металлов, которые могут становиться прозрачным изоляторами (натрий), газов, которые кристаллизуются и становятся проводящими (кислород) или даже сверхпроводящими. Рекордное значение давления было достигнуто за счёт применения микро-полусфер из наноалмаза, которые являются дополнительной ступенью по сравнению с традиционной методикой алмазных наковален (Рис. 1). Это усовершенствование позволяет существенно расширить диапазон давлений в экспериментах по статическому сжатию и достигнуть давления выше 750 ГПа (вдвое выше давления в центре Земли). Микронаковальни (от 10 до 20 мкм в диаметре) из супертвердого наноалмаза (размер зерна меньше ~50 нм) были синтезированы в большом объёмном прессе, что представляет собой новый метод, разработанный в Байройтском университете.
Металлический осмий является одним из наиболее уникальных материалов благодаря тому, что обладает наивысшей плотностью при нормальном давлении, одной из самых высоких энергий связи и температурой плавления, а также очень низкой сжимаемостью, почти как у алмаза. Предполагалось, что, как и любой другой материал под давлением, осмий изменяет свою кристаллическую структуру. Однако, в настоящей работе была продемонстрирована беспрецедентная структурная стабильность этого металла. При огромных давлениях около 770 ГПа осмий обладает такой же структурой, что и при атмосферном давлении. В то же время, очень точные измерения рентгеновской дифракции показали, что в поведении параметра решётки под давлением появляются особенности. Обычно изменения свойств материалов под давлением обусловлены изменениями в конфигурации валентных (внешних) электронов, однако, в случае осмия под рекордно высоким давлением наблюдаемые структурные аномалии вызваны взаимодействием между внутренними электронами, как было показано посредством современных квантовомеханических расчётов. Таким образом, данная работа показывает, что сверхвысокие давления могут приводить к взаимодействию внутренних электронов. Возможность влиять на внутренние электроны даже в таком несжимаемом металле, как осмий, с использованием статического давления открывает многообещающие перспективы поиска новых состояний вещества.
Рис. 1 Схема двухступенчатой алмазной наковальни для создания сверхвысоких давлений (слева) и фото ячейки с алмазными наковальнями созданной в университете Байройта, Германия (справа). Полусферы изготовлены из нанокристаллического алмаза, обладающего чрезвычайной прочностью, и закреплены на наковальнях, которые, в свою очередь, выполнены из алмаза ювелирного качества. Образец осмия имеет размер примерно 3 микрона и изображён точкой на поверхности нижней полусферы. Образец сжимается между наконечниками полусфер, которые поддерживаются давлением среды (кристаллизованный инертный газ или парафин), заполняющей ячейку с алмазными наковальнями. Сверхвысокое давление (в этой работе 7.7 миллиона атмосфер) реализуется за счёт приложения большой силы к очень маленькой поверхности. Диаметр полусфер составляет приблизительно 10 микрон. Диаметры рабочих поверхностей наковален, к которым крепятся полусферы, не превышает 250 микрон. (Рисунки любезно предоставлены Еленой Быковой)
Комментарии (22)
ivanych
24.08.2015 23:26А какая сила прикладывается к наковальням снаружи?
fundov
24.08.2015 23:46Хороший вопрос. Я завтра напишу Игорю Абрикосову, если у Вас есть еще вопросы, обязательно задавайте!
vmarunin
25.08.2015 01:02-1Ну прикинуть то и самим можно.
Образец 3 микрона (пусть будет квадратик). В сантиметре 10-4 микрон. Значит площадь 9*10-8 квадратного сантиметра
А атмосфер у нас 8*10+6.
Выходит всего 100 грамм или 1 ньютон :( Как-то мало
На самом деле там же ещё среда вокруг, там площадь в тысячи раз больше и давление тоже создаётся, может и побольше надо давить но явно небольшие силы.
Mad__Max
25.08.2015 05:36~700 грамм (7 Н) же, а не 100 если из таких допущений исходит.
Хотя предполагаю в процессе сжатия образец заметно деформируется и итоговая площадь (к моменту достижения 770 ГПа) существенно отличается.
fshp
25.08.2015 07:07Не деформируется. В статье же написано.
Mad__Max
26.08.2015 01:10А где написано? Там написано только про то что не происходило изменения строения кристаллической решетки (переупорядочивания взаимного расположения атомов в решетки, наподобие таких какие превращают обычный уголь в графит или алмаз, или водород в металлический водород, обычный водяной лед в разные экзотические формы льда и т.д.).
А обычные механические деформации должны присутствовать — т.к. достигнутое давление больше чем на порядок превышает пределы упругости и текучести осмия
vmarunin
28.08.2015 23:52Не должен деформироваться. Иначе образец вылезет за наковальни, с боков то его ничем не держат (и я даже придумать не могу как держать).
Ну и микронаковальни от 10 до 20 мкм в диаметре. Площадь контакта будет совсем небольшой.
ivanych
25.08.2015 08:30Хм. А почему бы тогда не делать наоборот — образец взять побольше, а усилие снаружи увеличить. Тонну нагрузить, а не 100 грамм. Ведь наверное в большем образце легче-производить измерения?
Raegdan
25.08.2015 10:10+1Раздавите между пальцами жвачку. Если приложить такое давление к большому куску хоть осмия, хоть чего угодно — он расползётся в стороны, и между наковальнями снова будет маленький кусочек.
SVlad
25.08.2015 15:30И нагрузка на ячейку тоже пропорционально возрастёт. В результате металл, из которого сделана ячейка, начнёт деформироваться. Ну и алмазные наковальни большего размера понадобятся — а это ювелирные алмазы.
fundov
25.08.2015 16:09К сожалению, Игорь Абрикосов сейчас на большом докладе и все, что он успел сообщить:
В принципе, читатель сам может это легко оценить исходя из достигнутого давления и площади контакта в 2-5 микрона.
и
Там главная задача — не сломать алмазы. Поэтому и нельзя «пересиливать».
Игорь А.
saga111a
25.08.2015 16:16Сколько давление держали по времени, как с переходными процессами, там in-situ делали же? По смещение положений рефлексов определили изменения в структуре или что-то хитрее?
Если давить на другой металл(допустим железо) то при каком давлении будет заметно взаимодействие внутренних электронов? Вообще будет ли оно?fundov
26.08.2015 17:00+2Относительно времени, выдержка продолжалась столько, сколько было необходимо для того, чтобы снять рентген спектры.
На часть Ваших вопросов ответит этот фрагмент из полной версии статьи опубликованной в Nature
Diffraction patterns of the samples compressed in dsDACs
HomoLuden
26.08.2015 14:50Так, было обнаружено, что сжатие до 4.4 миллиона атмосфер приводит к взаимодействию внутренних электронов атомов осмия, которое влияет на межатомные расстояния.
Всегда был уверен, что электроны располагаются вокруг атома, а внутри атома — протоны и нейтроны.fundov
26.08.2015 17:06В цитате ошибок и противоречий нет. Атом состоит из ядра и электронов, а протоны и нейтроны составная часть ядра.
CaptainFlint
26.08.2015 17:43Располагаются-то вокруг, но на разных расстояниях. Обычно взаимодействие между атомами ограничивается лишь самыми внешними электронными оболочками, а тут начали работать более глубокие орбитали.
saga111a
26.08.2015 18:26Просто в школьных курсах физики не рассказывают, что электроны разделяют на внутренние и внешние. Т.е. множество оболочек электронов есть и вот те, что не на самом краю называют внутренние, а другие соответственно внешние. Это делается из-за отличия свойств электронов внутренних и внешних. Так внутренние не участвуют, как правило, в формировании хим связей. и они же производят экранирование(от заряда ядра) внешних и понижают(по модулю) их энергию относительно ядра итп
HomoLuden
27.08.2015 12:05Про оболочки и то, что электроны с разными энергиями располагаются на разных уровнях очень даже рассказывали. Принцип работы фосфорицирующих игрушек нам объяснили. Но процитированная фраза некорректна. Может где-то в профессиональной среде используют такой жаргон, но фраза вида «к взаимодействию электронов на внутренних оболочках (орбиталях, уровнях)» куда корректнее, на мой взгляд.
saga111a
27.08.2015 12:36Да, может и жаргон, бегло посмотрел — в литературе о оболочках внутренних/внешних говорят, что вернее.
Halt
За статью разумеется жирный плюс, но все таки, неужели нельзя было вычитать перед публикацией? Глаза постоянно спотыкаются о пропущенные буквы и несогласованные падежи.
fundov
Большое спасибо за ценное замечание. Правки в текст внесены: добавлены запятые и пропущенные буквы, а также падежные окончания приведены в соответствие.