Расстрел кремнезема пластиковыми пулями помог изучить его кристаллизацию

Дифракционная картина, полученная учеными

S. Tracy et al. / Phys. Rev. Lett.

Американские физики расстреляли образец из кремнезема (диоксида кремния SiO2) пластиковыми пулями, чтобы вызвать в нем ударные волны, и исследовали кристаллизацию вещества под действием таких волн с помощью рентгеновской спектроскопии. В результате ученые выяснили, что вплоть до давлений порядка 340 тысяч атмосфер кремнезем остается аморфным, однако при бо́льших давлениях испытывает фазовый переход и кристаллизуется. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Кремнезем (диоксид кремния SiO2) часто встречается в физике твердого тела и геофизике, причем иногда этот материал попадает в непривычные для нас условия — земная кора состоит из кремнезема и силикатов на 87 процентов, а давление у ее основания может доходить до 13 тысяч атмосфер (в центре Земли — до миллиона атмосфер). В то же время, расплавленный кремнезем часто используют в качестве оптического материала (это обычное стекло) — следовательно, он подвергается высоким температурам в ходе взаимодействия со сверхмощным лазерным излучением. Поэтому физикам необходимо знать, как диоксид кремния ведет себя в экстремальных условиях. К сожалению, существующие модели не позволяют получить корректные предсказания при высоких давлениях и температурах, поскольку для этого необходимо точно знать структуру возникающих под такими давлениями фаз, которая изучена сравнительно плохо.

В настоящее время ученые выделяют три большие фазовые области, возникающие в кремнеземе под действием ударного сжатия. При давлении ударных волн до 8-9 гигапаскалей (один гигапаскаль — это примерно десять тысяч атмосфер) диоксид кремния остается в эластичном аморфном режиме, то есть имеет сравнительно низкую плотность и твердость, а его молекулы разупорядочены. Напротив, при давлениях более 35 гигапаскалей он кристаллизуется и превращается в стишовит — твердый, плохо сжимаемый материал.

В обоих предельных случаях поведение кремнезема хорошо изучено, однако переход между аморфной и кристаллической фазой исследован гораздо хуже. Различные теоретические исследования указывают либо на то, что в промежуточной области от 10 до 35 гигапаскалей кремнезем либо пребывает в чисто аморфном состоянии, либо представляет собой смесь аморфной и кристаллической фазы, либо образует неизвестную ранее кристаллическую структуру. Более того, некоторые физики считают, что стишовит вообще не может образоваться под действием ударных волн, поскольку на временных масштабах, характерных для прохождения волны, кристаллизация не успевает произойти.

Однако группа ученых под руководством Томаса Даффи (Thomas Duffy) подробно экспериментально исследовала промежуточную область, чтобы показать, что в действительности кристаллизация происходит только при давлениях порядка 35 гигапаскалей, а при меньших давлениях кремнезем остается аморфным. Чтобы создать в пластинке из диоксида кремния ударные волны, они выстреливали в нее пластиковыми пулями со скоростью от 1,8 до 5,6 километров в секунду — это позволяло получить волны с давлением от 12 до 47 гигапаскалей. Скорость пуль точно измерялась с помощью лазерной интерферометрии, а максимальное давление рассчитывалось на основании известных уравнений состояния кремнезема и пули. Параллельно с этим ученые пытались выявить образование кристаллический фаз с помощью брэгговской спектроскопии (дифракционной рентгенографии).

Напомним, в чем заключается принцип брэгговской спектроскопии. Электромагнитное излучение обладает волновыми свойствами, то есть при его описании необходимо учитывать не только амплитуду волны, но и ее фазу. Из-за этого когерентные волны могут интерферировать — например, если пропустить световую волну через дифракционную решетку (листок с большим числом параллельных прорезей) и поставить на ее пути экран, можно увидеть, как на экране будет возникать большое число светлых и темных полос. При этом расстояние между полосами будет зависеть от длины волны (то есть цвета) и параметров решетки. Обычно расстояние между прорезями полагается равным нескольким десяткам микрометров. В брэгговской спектроскопии в качестве такой решетки выступает кристалл — в зависимости от того, под каким углом на него падает рентгеновское излучение, расстояние между полосами, поставленными на экране, будет различным, и это позволяет определить расстояние между атомами кристалла и его структуру.

Оказалось, что при облучении образца рентгеновским излучением пики в спектре возникали только при давлениях выше 34 гигапаскалей, причем их положение не менялось при увеличении давления, а расстояние отвечало кристаллам стишовита, по-разному ориентированным в пространстве. Оценивая уширение пиков, исследователи рассчитали радиус таких кристаллов, которые составил около десяти нанометров и увеличивался при росте давления. Наконец, отсутствие интерференционных пиков при давлениях менее 34 гигапаскалей позволило ученым заключить, что в промежуточной области «смешанная фаза» не образуется, хотя аморфный кремнезем уплотняется при увеличении давления.

Кроме того, ученые сравнили экспериментально измеренную зависимость плотности образующихся кристаллов от давления с предыдущими измерениями адиабатной кривой стишовита, а также с численными расчетами. Оказалось, что новые данные хорошо согласуются с предыдущими исследованиями.


В конце февраля этого года китайские геохимики показали, что под действием ударных волн, возникающих в метеорите во время удара о поверхность планеты, алмазы могут образоваться напрямую из карбонатных минералов, не требуя для этого дополнительных восстановителей. А в марте 2016 физики из США, Великобритании и Германии впервые «вживую» увидели образование алмаза и лонсдейлита под действием ударного сжатия — так же, как и в новой работе, ученые использовали для этого рентгеновскую спектроскопию.

В последнее время исследователи все выше и выше поднимают границу доступных для изучения давлений. Так, в августе 2015 года группа физиков, в которую входили в том числе российские ученые, поставила рекорд статического давления, оказываемого на образец в алмазной ячейке — в поставленном эксперименте им удалось получить давление в 7,7 миллионов атмосфер и увидеть новый класс электронных переходов, возникающих в осмии при сверхвысоких давлениях. Однако уже в 2016 году этот рекорд побила другая группа физиков, достигшая давления около 10,7 миллионов атмосфер. Подробнее о том, как ученые изучают вещества при таких экстремальных условиях, можно в нашем материале «Путешествие к центру Земли».

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.