Экстремально высокая температура плавления алмаза может высвободить больше энергии для термоядерного синтеза.

• Под воздействием экстремального давления алмаз плавится таким образом, что это явление теперь очень точно соответствует результатам квантовых моделирований, разрешив разногласия, длившиеся около 20 лет.

• Рентгеновские измерения показывают, что хорошо известный кристалл алмаза сохраняется до момента плавления, а не превращается сначала в предполагаемую форму BC8 во время одного ударного воздействия.

• Пересмотренные условия таяния могут позволить создавать более слабые начальные ударные волны в экспериментах по термоядерному синтезу, потенциально увеличивая выход энергии и улучшая модели «алмазного дождя» внутри ледяных гигантских планет.

Алмаз способен выдерживать условия, которые разрушили бы большинство материалов, но под огромным давлением, используемым в экспериментах по термоядерному синтезу, он в конечном итоге разрушается. Новые измерения позволяют точно определить, как происходит это плавление, разрешая 20-летнее разногласие между экспериментами и теорией.

В ходе исследований, проведенных учеными из Национальной лаборатории имени Лоуренса Ливермора, отслеживалось воздействие ударного сжатия алмаза до давления около одного терапаскаля, что примерно в три раза превышает условия в ядре Земли. В ходе экспериментов также были достигнуты давления, превышающие ожидаемые внутри Нептуна и Урана.

Разрыв температур в 20 лет сократился.

Исследователи из LLNL десятилетиями изучают алмаз под экстремальным давлением. Около 20 лет назад Джон Эггерт и его коллеги обнаружили, что алмаз становится плотнее при плавлении под высоким давлением, что является необычным явлением для большинства материалов.

Эти ранние эксперименты создали трудноразрешимую проблему. Измеренные температуры плавления отличались от теоретических предсказаний примерно на 20%, или около 1500 кельвинов в более поздних сравнениях. Усовершенствованные методы моделирования не смогли воспроизвести экспериментальные значения.

Ещё один вопрос возник в результате работы в Национальных лабораториях Сандиа. Полученные результаты были интерпретированы как возможное свидетельство того, что алмаз перед плавлением переходит в другую кристаллическую фазу, называемую BC8.

Новые эксперименты LLNL были направлены на прямое решение обоих спорных вопросов.

Рентгеновские лучи улавливают алмаз на грани плавления.

В лазерной установке Omega в Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета исследователи направляли мощные ультрафиолетовые лазерные импульсы на образцы синтетического алмаза. Лазеры создавали ударные волны в материале.

Сжатые состояния длились всего около миллиардной доли секунды. В течение этого интервала команда измерила скорость ударной волны, отражательную способность, тепловое излучение и рентгеновскую дифракцию, которая позволяет определить атомную структуру.

«Это был первый случай, когда алмаз, сжатый ударным воздействием, был исследован методом рентгеновской дифракции вплоть до стадии плавления», — сказал ученый из LLNL Мариус Милло. «Эти измерения чрезвычайно сложны, потому что углерод — это маленький и легкий атом. Он рассеивает очень мало рентгеновских лучей, поэтому сигнал, который нам нужно было измерить, был довольно слабым».

Команда провела 12 экспериментов с постоянным электрическим ударом и семь экспериментов с ударами, которые ослабевали по мере прохождения через образец.

Измерения показали широкую область плавления. В диапазоне примерно от 750 до 1000 гигапаскалей ударная температура незначительно снижалась по мере повышения давления, что является прямым доказательством кривой плавления с отрицательным наклоном. Температуры оставались около 7000 кельвинов.

Отражательная способность также резко возросла по мере усиления ударной волны, что указывает на наличие большего количества электропроводящего жидкого углерода. В то же время рентгеновская дифракция от кристаллического образца ослабла примерно в десять раз и приблизилась к нулю при скорости около 24,2 ± 0,2 километров в секунду.

В совокупности эти сигналы точно соответствовали результатам моделирования, основанного на квантово-механических расчетах.

«Хотя было неприятно обнаружить, что наши первоначальные измерения температуры отличались более чем на 1000 градусов, очень радует такое значительное улучшение качества данных благодаря новой диагностике», — сказал Эггерт. «Более того, наше первоначальное предположение о плавлении теперь подтверждено непосредственно с помощью рентгеновской дифракции».

Алмаз остаётся алмазом, пока не расплавится.

Рентгеновские данные также позволили предположить наличие промежуточной кристаллической фазы.

Исследователи обнаружили убедительные доказательства того, что сжатое твердое тело сохранило обычную кубическую алмазную структуру вплоть до плавления. Присвоение измеренного дифракционного пика соединению BC8 дало значения плотности, примерно на 30% отличающиеся от более ранних измерений.

Команда также не обнаружила дополнительных дифракционных линий, ожидаемых от значительного количества BC8.

Этот результат противоречит более ранним интерпретациям, которые помещали переход к BC8 примерно в диапазоне от 875 до 900 гигапаскалей. Однако он согласуется с результатами моделирования методом молекулярной динамики, предполагающими, что прочные углеродные связи создают энергетический барьер, препятствующий перестройке во время одного ударного воздействия.

«Мы считаем, что это происходит потому, что образец не успевает измениться, когда подвергается лишь одному ударному воздействию. Он остается «запертым» в структуре алмаза», — сказал Милло.

Эксперименты длились всего несколько наносекунд. Более раннее исследование, предполагающее переход BC8, включало в себя прохождение ударной волны в течение примерно 40 наносекунд. Авторы утверждают, что разница во временных масштабах может помочь согласовать результаты.

Более слабый первый импульс может увеличить выход энергии при термоядерном синтезе.

Измерения температуры плавления имеют непосредственное значение для инерциального термоядерного синтеза на Национальной установке зажигания.

В установке NIF используются алмазные капсулы миллиметрового размера, содержащие замороженный слой дейтерий-тритиевого топлива. Лазеры разгоняют капсулу внутрь со скоростью более 400 километров в секунду. В результате имплозии создается давление выше 30 петапаскалей и температура выше 100 миллионов кельвинов.

В современных конструкциях используется первый ударный импульс, превышающий 1,2 терапаскаля, чтобы обеспечить полное расплавление алмаза. Гладкая жидкая оболочка помогает ограничить дефекты во время имплозии.

Новые данные указывают на то, что полное расплавление может произойти при более слабом начальном ударном воздействии. Это позволило бы использовать путь сжатия с меньшей энтропией и сделать термоядерное топливо более сжимаемым.

«Наша работа показывает, что мы можем использовать немного более медленные начальные ударные волны и при этом добиться полного расплавления алмаза в наших имплозиях на NIF», — сказал Милло. «Это очень интересно, потому что такая более медленная ударная волна сделает термоядерное топливо более сжимаемым. Это, в свою очередь, увеличит максимальную энергетическую отдачу, которую мы можем получить при той же энергии лазера».

Модели, приведенные группой исследователей, указывают на то, что более высокое сжатие может утроить высвобождаемую энергию термоядерного синтеза по сравнению с существующими конструкциями, при условии, что удастся контролировать другие механизмы деградации.

Практические последствия исследования

Пересмотренная кривая плавления дает исследователям термоядерного синтеза более надежную основу для выбора силы и времени ударных волн, приводящих в движение алмазные капсулы. Она может позволить достичь более высокой степени сжатия без увеличения энергии лазера, хотя прогнозируемый выигрыш по-прежнему зависит от контроля других источников потери производительности.

Полученные измерения также обеспечивают более надежные критерии для моделирования поведения углерода в условиях экстремального давления.

Для планетологии полученные результаты охватывают давления, превышающие давление внутри Нептуна и Урана. Это дает исследователям более точные экспериментальные ограничения для моделей, в которых углерод кристаллизуется глубоко внутри ледяных гигантов и выпадает из их недр в виде «алмазного дождя».

В LLNL планируют использовать Национальную установку термоядерного синтеза для исследования труднодоступных условий, включая многократное сжатие под действием ударных волн. Эти эксперименты могли бы проверить, где знакомая алмазная структура окончательно теряет стабильность и как ведёт себя капсула на более поздних стадиях термоядерного схлопывания.

Узнайте больше о плавлении алмазов, термоядерной энергии и алмазном дожде.

В этих материалах рассматривается поведение углерода при экстремальном давлении, значение алмаза для инерциального термоядерного синтеза и то, как аналогичные физические процессы могут формировать внутреннее строение планет, подобных Нептуну.

Структура жидкого углерода, определенная методом рентгеновской дифракции in situ. Используя ударное сжатие и рентгеновскую дифракцию, исследователи непосредственно измерили атомную структуру жидкого углерода и задокументировали сосуществование алмаза и жидкости до полного плавления. Эта работа предоставляет экспериментальные эталоны для моделей углерода, используемых в термоядерном синтезе и планетологии. (Nature, 2025)

От алмаза к BC8, затем к простой кубической структуре и обратно: кинетические пути образования пост-алмазных углеродных фаз с помощью метадинамики. Моделирование исследует, как алмаз может трансформироваться в сверхплотный BC8 и простой кубический углерод при давлении выше 1,5 терапаскалей, выявляя узкие диапазоны давления и температуры, которые могут способствовать образованию BC8. (Physical Review B, 2026)

Достижение коэффициента усиления мишени, превышающего единицу, в эксперименте по инерциальному термоядерному синтезу. Этот знаменательный эксперимент на Национальной установке зажигания (National Ignition Facility) позволил получить 3,1 мегаджоуля термоядерной энергии из 2,05 мегаджоулей лазерной энергии, направленной на мишень, продемонстрировав коэффициент усиления мишени выше единицы и обеспечив важный контекст для усилий по улучшению процесса имплозии алмазных капсул. (Physical Review Letters, 2024)

Динамика осаждения алмазов из углеводородов в условиях ледяных планет. Эксперименты при высоком давлении исследовали образование алмазов из углеводородов в условиях, характерных для ледяных планет, что подтверждает предположение о возможности осаждения алмазов внутри Урана, Нептуна и подобных экзопланет. (Nature Astronomy, 2024)

Термодинамика образования алмазов из смесей углеводородов на планетах. Квантово-точные модели позволили определить условия, при которых алмазы могут образовываться из смесей углерода и водорода, и выявить режим высокого давления, в котором фазовое расслоение в значительной степени способствует образованию алмазов, особенно в условиях, характерных для недр Нептуна. (Nature Communications, 2023)

Результаты исследования опубликованы в онлайн-журнале Nature Physics.

Оригинальная статья «Экстремально высокая температура плавления алмаза может высвободить больше энергии для термоядерного синтеза» опубликована в издании The Brighter Side of News.

Похожие статьи

• Под поверхностью Меркурия находится слой алмазов толщиной в 10 миль.

• Чистые гексагональные алмазы существуют на самом деле и тверже природных алмазов.

• Метеорит возрастом 50 000 лет помог ученым создать самые твердые алмазы на Земле.

Нравятся такие позитивные истории? Подпишитесь на рассылку The Brighter Side of News .