ГЛАВНАЯ » 2013 » Август » 18 » Ученые провели исследования твердого железа, помещенного под воздействие рекордного уровня давления
16:42
Ученые провели исследования твердого железа, помещенного под воздействие рекордного уровня давления
Железо - это самый распространенный элемент в составе материи земного ядра и шестой по распространенности элемент во всей Вселенной. Как ключевой компонент подавляющего большинства современных технологий, железо является наиболее изученным людьми материалом, в том числе и при различных экстремальных условиях. Но, исследования железа как материала продолжаются по сей день и группа ученых из Лаборатории лазерной энергетики (Laboratory for Laser Energetics, LLE) университета Рочестера, возглавляемая Юань Пингом (Yuan Ping), провела исследования железа, оставшегося, благодаря неким уловкам, в твердом состоянии под рекордно высоким давлением, составляющим 5.6 миллионов атмосфер, т.е. в 5.6 миллиона раз превышающего давление на поверхности Земли.
Такое рекордное давление было достигнуто за счет использования метода мульти-ударного сжатия, комбинирующего сильное механическое воздействие на материал с "ударами" коротких импульсов света чрезвычайно мощного лазера. Используя серию ударов, а не одного мощного удара, ученые добились сохранения низкого уровня энтропии материала, что позволило удержать температуру материала ниже точки его плавления и сохранить железо в твердом состоянии.
Изучение свойств материалов, находящихся в экстремальных условиях, является более важным, чем возможность создания этих условий. В данном случае так же высокое давление было создано не ради рекорда, а ради изучения свойств и поведения железа в этих условиях. Для анализа происходящих внутри железа процессов ученые использовали метод рентгеноскопии EXAFS (extended X-ray absorption fine structure), который является одним из самых мощных инструментов, используемых для исследований материалов. В настоящее время использование метода EXAFS для изучения материалов, находящихся в экстремальных условиях, находится лишь на начальном уровне, но уже приносит ощутимые результаты.
Структура экспериментальной установки
Данные о железе, подвергнутом воздействию чрезвычайно большого давления, полученные с помощью метода EXAFS, показали, что до давления 3 миллионов атмосфер свойства железа совпадают с данными математических расчетов и подтверждают данные других экспериментов. Но, перешагнув через некоторую планку значения давления, ученые неожиданно обнаружили, что температура материала стала существенно выше, чем она могла повыситься только за счет энергии сжатия. Проведя более подробные исследования этого феномена, ученые выяснили, что дополнительное тепло является эффектом неэластичного искажения кристаллической решетки материала, так называемого эффекта "пластичной работы /plastic work". Этот эффект проявляется после быстрого, в течение нескольких миллиардных частей секунды, сжатия материала, и приводит к скачкообразному увеличению прочности и твердости этого материала, сопровождаясь выделением достаточно большого количества тепла.
"Нам потребовалось более двух лет для разработки новой экспериментальной платформы и технологий" - рассказывает Юань Пинг, - "Позже мы планируем существенно расширить возможности нашей исследовательской технологии за счет использования более мощных лазерных систем, таких, как National Ignition Facility, которая сейчас находится не у дел. Это позволит нам во много раз поднять значение давления и сократить промежутки времени, что в свою очередь, позволит более подробно изучить динамику процессов, происходящих в материалах в экстремальных условиях".
