Фільми про пограбування можуть називати алмази "лід", але насправді ці два твердих тіла мають мало спільного.

Від способу, яким їх атоми організовані всередині, до того, як вони формуються (інтенсивний тиск і тепло глибоко під землею для алмазу, холод для льоду), важко уявити два речовини, які мають такі сильні відмінності, зберігаючи при цьому поверхневу схожість.

Тому може бути несподіванкою дізнатися, що алмаз – найтвердіший природний мінерал на Землі – може плавитися.

Але навіть це алмаз робить досить дивно, згідно з командою фізиків на чолі з Маріусом Міллотом з Лоуренс Ліверморської національної лабораторії (LLNL) у США.

В основному, він залишається у своїй звичній кристалічній структурі до моменту плавлення, коли його атоми вуглецю потрапляють у безлад.

"Ми вважаємо, що це відбувається тому, що зразок не має часу змінитися, коли він лише зазнає одного шоку", – говорить Міллот. "Він залишається 'захопленим' у структурі алмазу".

Розплавити алмаз не так вже й просто, але кілька експериментів робили це протягом років. У 2007 році команда вчених повідомила про плавлення алмазу, використовуючи лазер для його обстрілу шоковою хвилею при тиску 750 гігапаскалів – більше ніж удвічі перевищує атмосферний тиск на рівні моря.

Подальші експерименти, детально описані в статті 2009 року, безпосередньо виміряли температуру плавлення алмазу.

Однак, з покращенням теоретичних розрахунків виникла проблема: експериментальна температура плавлення відрізнялася від квантово-механічних прогнозів приблизно на 20 відсотків.

"Незалежно від того, що робили теоретики – навіть з найсучаснішими комп'ютерними симуляційними техніками – вони не могли відтворити експерименти", – говорить Міллот.

Тим часом залишалося ще одне питання. Теорія передбачала, що при тиску близько теропаскаля щільна атомна решітка алмазу повинна тимчасово перейти в форму вуглецю, відому як BC8, перед повним плавленням.

Раніше експерименти навіть були інтерпретовані як свідчення цього переходу при тисках понад 900 гігапаскалів. Однак нові симуляції вказують на те, що формування BC8 може бути занадто складним для досягнення під час швидкої компресії.

Хоча стаття 2009 року продемонструвала плавлення алмазу при тисках до 1.1 теропаскаля, експеримент не мав чутливості, щоб визначити, чи з'явилася передбачена фаза BC8.

Однак з тих пір технології спостереження за матерією в цих швидкоплинних екстремальних умовах значно покращилися. Тому Міллот і його команда вирішили спробувати ще раз.

Використовуючи Лазерний комплекс OMEGA в Університеті Рочестера, дослідники використовували потужні лазерні імпульси для створення шокових хвиль через маленькі зразки алмазу, створюючи тиски від 600 гігапаскалів до 1.8 теропаскаля.

Одночасно команда вимірювала, як швидко рухався шок, наскільки гарячим і відбивним став алмаз, і – що найважливіше – використовувала рентгенівські промені, щоб спостерігати, як змінювалася кристалічна структура.

"Ми змогли взяти маленькі зразки алмазу і шоково стиснути їх до температур, гарячіших за поверхню Сонця, і до тисків, вищих за центр Нептуна, і все ще вимірювати атомну структуру, температуру, щільність і оптичну відбивність", – говорить Міллот.

Нові вимірювання вирішили проблему температури.

Вони встановили температуру плавлення алмазу на рівні близько 7300 К і 1 теропаскаль, що значно нижче за старі експериментальні вимірювання і добре узгоджується з теоретичними розрахунками, які вперто відмовлялися відповідати старому результату.

"Хоча було розчарування дізнатися, що наші початкові вимірювання температури були помилковими більш ніж на 1000 градусів, це захоплююче бачити таке драматичне покращення якості даних з нашими новими діагностиками", – говорить Еггерт.

Рентгенівські промені також показали, що сталося з кристалічною структурою алмазу під час плавлення – і ось тут все стає дійсно цікаво.

Коли дослідники підвищували тиск, рентгенівський дифракційний сигнал алмазу поступово слабшав, що вказувало на те, що все менше і менше кристалічного алмазу залишалося, поки він не зник зовсім.

Але поки команда могла ще виявити атомну структуру, вона залишалася в звичній кубічній кристалічній решітці. Дослідники не знайшли жодних ознак значної фази BC8 – твердий алмаз і рідкий вуглець просто співіснували, поки процес не завершився.

Це, як вони пропонують, ймовірно, пов'язано з механізмами, запропонованими раніше симуляціями. Хоча вуглець може віддавати перевагу фазі BC8 при залучених тисках, досягнення цього вимагає розриву і перерозподілу надзвичайно сильних вуглецевих зв'язків алмазу – енергетично витратний процес.

В умовах експерименту алмаз, здається, плавиться, перш ніж трансформація може відбутися.

І, дивно, це місце, де алмаз починає поводитися трохи як лід.

При цих екстремальних тисках твердий алмаз менш щільний, ніж рідкий вуглець, в який він плавиться – так само, як звичайний лід менш щільний, ніж рідка вода.

Це означає, що твердий алмаз може плавати на поверхні розплавленого вуглецю. Це також викликає ще один парадоксальний ефект: протягом частини діапазону плавлення підвищення тиску насправді знижує температуру, при якій алмаз плавиться.

Це все дуже цікаво і дуже дивно, але також має практичні застосування.

Такі експерименти можуть розповісти нам про внутрішню структуру льодових гігантів, таких як Уран і Нептун, де вуглець може зазнавати тисків і температур, подібних до тих, що відтворені в експерименті.

Ближче до дому, однак, алмаз використовується в цілях інерційного стиснення термоядерного синтезу, де маленькі паливні капсули стискаються під подібно величезними тисками. Точніша інформація про те, як вуглець поводиться, коли ці цілі імплодують, може покращити комп'ютерні моделі, які використовуються для проектування термоядерних експериментів.

Дійсно, в симуляціях, що включають оновлену модель вуглецю, дослідники виявили, що прогнозоване збільшення енергії синтезу може зрости до трьох разів.

"Наша робота вказує на те, що ми могли б використовувати трохи повільніші початкові шоки і все ще досягти повного плавлення алмазу в наших імплозіях NIF", – говорить Міллот.

"Це захоплююче, тому що такий повільніший шок зробить паливо для термоядерного синтезу більш стиснутим. Це, в свою чергу, збільшує максимальний вихід енергії, який ми могли б отримати з тієї ж енергії лазера".

Дослідження було опубліковано в Nature Physics.