Фазовые переходы в алмазной наковальне

Слева – свечение азотных вакансий (NV) естественных алмазов под действием ультрафиолета; справа – действие расположенных против друг друга наковален. Яркость свечения свидетельствует о реакции сенсоров на изменение давления. Фото Physorg

Наверное, многие помнят школьный опыт: при смешивании азота и водорода после пропускания электрической искры образуется аммиак (NH3), из которого потом делают удобрения для растений. Проблема, однако, в том, что искра способствует и разложению аммиака. Результат – равновесие вследствие обратимости реакции. Немцам Фрицу Габеру и Карлу Бошу удалось подобрать условия сдвига равновесия в сторону стабильного получения аммиака, за что им дали Нобелевские премии по химии в 1918 и 1931 годах. Решающим, помимо повышения температуры газовой смеси до 500 градусов, явилось повышение давления до сотен, а то и тысяч атмосфер, что и привело к сдвигу реакции в сторону образования аммиака.

Повышать давление можно не только с помощью компрессоров и микровзрывов. Внутреннее давление резко возрастает, например, при образовании водородных связей между молекулами воды при конденсации ее паров. В результате 18 г воды, соответствующие ее молекулярному весу, занимают объем 18 см3 или миллилитров (мл). После повышения температуры до 100 градусов водяной пар, образовавшийся из этих 18 г, занимает объем уже 22 400 мл, то есть в 1240 раз больше! В случае аммиака для его получения даже при 1000 градусах требуется еще и катализатор. Однако при 4–5 тыс. атмосфер NH3 образуется и без него.

Более 60 лет назад были созданы первые алмазные наковальни. Особенность алмазов – дефекты их кристаллической структуры, возникающие при «выпадении» одного из атомов углерода, на замену которому приходит более массивный и тяжелый атом азота. В силу своей несоразмерности азот не может встать на место ушедшего углерода и остается стоять чуть в стороне, как бы особняком. Так на месте отсутствующего атома углерода возникает кристаллическая вакансия, получившая название азотной (NV – Nitrogen Vacancy).

Слои трийодида хрома с противоположно направленными спинами (красные и голубые), определяющими намагничивание материала. Иллюстрация Physorg

В Калифорнийском университете Беркли, что в пригороде Сан-Франциско, алмазные наковальни (diamond anvils), «подсвечиваемые» лазером, использовали для оценки величины сверхвысокого давления, меняющего яркость свечения NV. Ученые университета при использовании алмазного сенсора выявили изменение магнитных свойств слоя трийодида хрома (CrI3).

Сначала было выявлено, что под давлением спины соседних слоев оказываются разнонаправленными – вверх и вниз, что приводило к намагничиванию сверхтонкого композитного материала. Однако все оказалось не так-то просто: магнитные или ферромагнитные свойства появлялись, если число слоев было нечетным, четное число слоев намагничивания не проявляло. В конце 2019 года выяснилось, что повышенное давление буквально «вминает» поверхность наковальни. В результате в центре ее образуется вмятина в виде чаши с округлым дном. При этом кривизна, видимая на глаз, возникает и при небольших давлениях.

Ученые подвергли также давлению смесь этилового и метилового спиртов, которая на поверхности наковальни претерпевала фазовый переход в стекловидное состояние, то есть из жидкого в твердое (хотя стекло и обладает текучестью). Гладкая поверхность алмаза при этом приобретала текстуру, которая характерна для ткани.

Авторы исследования полагают, что с помощью алмазных наковален удалось выявить принципиально новый подход к измерению фазовых переходов разных материалов. Благодаря ему наковальни дополнят использование мощных рентгеновских излучателей синхротронных источников, стоящих весьма дорого.