Первый синтез материалов в терапаскальном диапазоне физики высоких давлений
Жюль Верн о таком и мечтать не мог: исследовательская группа из Байройтского университета вместе с международными партнерами раздвинула границы исследований высоких давлений и высоких температур до космических измерений. Им впервые удалось создать и одновременно проанализировать материалы при давлении сжатия более одного терапаскаля (1000 гигапаскалей). Такие чрезвычайно высокие давления преобладают, например, в центре планеты Уран; они более чем в три раза превышают давление в центре Земли. В журнале Nature исследователи представляют разработанный ими метод синтеза и структурного анализа новых материалов.
Структуры и свойства материалов при экстремально высоких давлениях и температурах до сих пор во многом остаются «терра инкогнита». Профессор Леонид Дубровинский и его партнеры по исследованиям используют созданную ими двухступенчатую алмазную наковальню с лазерным нагревом для синтеза материалов в терапаскальном диапазоне (1000 гигапаскалей). Рентгеновская дифракция монокристалла in situ используется для одновременной структурной характеристики материалов. Фото: Тимофей Федотенко.
Теоретические модели предсказывают очень необычные структуры и свойства материалов в условиях экстремального давления и температуры. Но пока эти предсказания не удалось проверить в экспериментах при давлениях сжатия более 200 гигапаскалей. С одной стороны, чтобы подвергать образцы материалов такому экстремальному давлению, необходимы сложные технические требования, а с другой стороны, отсутствовали сложные методы одновременного структурного анализа. Опубликованные в журнале Nature эксперименты, таким образом, открывают совершенно новые возможности для кристаллографии высокого давления: теперь в лаборатории можно создавать и изучать материалы, которые существуют — если вообще существуют — только при чрезвычайно высоких давлениях на просторах Вселенной.
«Разработанный нами метод позволяет нам впервые синтезировать новые материальные структуры в терапаскальном диапазоне и анализировать их на месте, то есть в ходе эксперимента. Таким образом, мы узнаем о ранее неизвестных состояниях, свойствах и структуры кристаллов и может значительно углубить наше понимание материи в целом. Ценные идеи могут быть получены для исследования планет земной группы и синтеза функциональных материалов, используемых в инновационных технологиях », — объясняет профессор Леонид Дубровинский из Баварского геоинститута ( BGI) в Байройтском университете, первый автор публикации.
В своем новом исследовании исследователи показывают, как они создали и визуализировали in situ новые соединения рения с помощью открытого метода. Рассматриваемые соединения представляют собой новый нитрид рения (Re₇N3) и сплав рения с азотом. Эти материалы были синтезированы при экстремальных давлениях в двухступенчатой ячейке с алмазными наковальнями, нагреваемой лазерными лучами. Синхротронная монокристаллическая рентгеновская дифракция позволила получить полную химическую и структурную характеристику.
«Два с половиной года назад мы были очень удивлены в Байройте, когда нам удалось изготовить сверхтвердый металлический проводник на основе рения и азота, способный выдерживать даже экстремально высокие давления. Если применить кристаллографию высокого давления в терапаскальном диапазоне. В будущем мы можем сделать новые удивительные открытия в этом направлении. Теперь двери широко открыты для творческих исследований материалов, которые создают и визуализируют неожиданные структуры в условиях экстремальных давлений», — говорит ведущий автор исследования, профессор, доктор наук Наталья Дубровинская из Лаборатории кристаллографии в Байройтском университете.
