Skip to Content

КАК ЗАЖИГАЮТ «АЛМАЗНЫЕ ЗВЕЗДЫ»

В Институте геологии Коми НЦ УрО РАН (Сыктывкар) проводят пионерские исследования уникального вещества алмаза и других форм углерода, воспроизводят процессы их образования в природе и синтезируют в лабораторных условиях. Наши корреспонденты побеседовали об этом с заведующей лабораторией минералогии алмаза ИГ доктором геолого-минералогических наук Татьяной Григорьевной Шумиловой.
— Говорят, некоторые ваши эксперименты можно назвать «зажигательными» в прямом смысле?
— Мы пытаемся понять, как образуется алмаз в недрах Земли, чтобы совершенствовать методы поиска новых алмазных месторождений. В ходе экспериментов мы получили совершенно неожиданные условия, при которых достигались экстремально высокие температуры — порядка 5–10 тысяч градусов по Цельсию. При таких температурах плавится любой материал, они возможны разве что в земном ядре или на поверхности Солнца. Если еще учесть реализованные в наших экспериментах давления, то мы смогли воспроизвести условия, характерные для звезд, в частности для белых карликов.
— Как удалось удержать такие температуры?
— Мы использовали алмазные наковальни с лазерным нагревом, представляющие собой два высококачественных кристалла алмаза, не уступающие по своему качеству ювелирным бриллиантам. Экспериментальный материал зажимается между ними под большим давлением, нагревается и охлаждается. В этих установках алмаз является не только основным рабочим звеном, сквозь него можно в режиме реального времени визуально наблюдать происходящие преобразования вещества и еще проводить измерения. В наших экспериментах удавалось удерживать столь высокие температуры на несколько порядков дольше по времени, чем в любых других прежних опытах со сверхвысокими температурами, например, проводившихся в Объединенном институте высоких температур РАН под руководством академика В.Е. Фортова.
— Как же алмаз выдерживает такую температуру? Разве он сам не сгорает?
— В том-то и дело, что не сгорает. Алмаз обладает уникальной теплопроводностью, в несколько раз более высокой, чем у серебра — самого лучшего теплопроводника из тех, что используются в микроэлектронике, в том числе в новейших компьютерных технологиях.
— Что же происходит с экспериментальным материалом?
— Это еще один важный сюрприз. Когда материал, по составу похожий на обычный мел, нагревается под давлением, одним из продуктов его разложения становится самородный углерод в виде расплава. При остывании этого углеродного расплава мы впервые в мире получили настоящее алмазоподобное стекло, доказав это с помощью ультрасовременных методов. Зарубежный рецензент, рассматривая нашу статью, отметил: «Ну, наконец-то, синтезировали алмазное стекло!».
— Почему никому до вас не удавалось получить подобный материал?
— Сложность в том, что скорость кристаллизации алмаза слишком высока. До наших экспериментов в продуктах синтеза получали только кристаллический материал. Секрет — в составе исходного вещества, которое в условиях эксперимента ведет себя необычно, очень сильно разогревается. Ну и, конечно, в самой алмазной наковальне, которая остудила вещество с гигантской скоростью — на миллиарды градусов в секунду. Это позволило нам закалить углеродный расплав и получить аморфный материал — настоящее алмазное стекло.
— Неужели все это можно было реализовать в Сыктывкаре?
— Мы были бы счастливы, если бы это можно было сделать в Сыктывкаре или где-то в России. К сожалению, у нас подобных установок с возможностью анализа вещества непосредственно в ходе эксперимента пока нет. Все экспериментальные работы были проведены за рубежом — сначала в Германии, потом в двух организациях США, в том числе на сверхсовременном синхротроне. Потребовалось несколько серий экспериментов, чтобы воспроизвести первоначальный эффект, определить условия процесса. Но большинство аналитических исследований мы провели в России, в своем родном институте в Сыктывкаре. Кстати, многие наши методы соответствуют мировому уровню.
Самым сложным было измерить сверхвысокие температуры. Первые опыты мы провели еще в 2008 году на базе одного из немецких университетов, тогда же вышли первые публикации. Но требовались дополнительные эксперименты и более совершенное оборудование. Таким оборудованием располагает лаборатория в США, где экспериментами в экстремальных условиях занимается наш бывший соотечественник Александр Гончаров. Он и замерил для нас температуры.
— Каковы возможные приложения ваших исследований?
— Конечно, нашим алмазным высокоплотным стеклом вряд ли будут стеклить окна. Прежде всего недостаточны объемы его синтеза, да и холодно будет жить с такими окнами. Новый материал сверхтвердый, но маловероятно, что и это свойство будет использовано на практике. Перспективы применения алмазного стекла в электронике и нанотехнологиях мы связываем с его потенциально новыми электронными, оптическими и тепловыми свойствами. Благодаря нашим экспериментам и технологическим приемам можно разрабатывать оригинальные способы получения сверхтугоплавких металлов и соединений, в том числе совершенно новых. Это открывает возможности для создания сверхскоростных электронных устройств, квантовых компьютеров, космических технологий. Не исключено, что подобный материал когда-нибудь совершит переворот в микроэлектронике.
— Получается, что геологические эксперименты позволили получить целый спектр результатов в разных областях?
— Да. Мы ставили одну задачу, а в ходе ее решения получили еще и попутный результат, имеющий не меньшую, если не большую ценность по сравнению с первично поставленной целью. Это одна из особенностей фундаментальной науки, когда конечный продукт не всегда совпадает с ожиданиями. Он может иметь объемный эффект и указывать на неожиданные новые перспективы. Так называемый веерный результат у нас получается часто — решая одну задачу, мы, кроме основного, находим еще и новые решения в параллельных областях. Это и называется междисциплинарным подходом. Например, сейчас мы с нашими коллегами из Иркутска оформляем два патента. Исходная задача исследований опять же была исключительно геологической, а на выходе, кроме решения прямой проблемы, с которой мы отлично справились, был получен еще и дополнительный продукт — уникальные углеродные фотоноподобные кристаллы, перспективные для разработок технологий в инфракрасном диапазоне.
Еще мы заглянули в тайны Вселенной и экспериментально доказали возможность существования так называемых «алмазных» звезд, в которых углеродное вещество находится в виде «алмазного» расплава. Теперь, глядя в небо, можно думать, что нам светят в том числе и «алмазные звезды». Недавно наши результаты были опубликованы в престижном зарубежном журнале «Carbon», и специально для этой публикации один из наших немецких соавторов получил с помощью высокоразрешающего телескопа изображение белого карлика Сириус В — потенциально «алмазной звезды».
— Владимир Маяковский утверждал, что если звезды зажигают, значит, это кому-нибудь нужно. Нужны ли алмазные звезды России?
— Поскольку в России взят курс на высокие технологии, мы ожидаем, что наши результаты будут востребованы. Планы строительства синхротрона последнего поколения в Новосибирске, озвученные Президентом РФ В.В. Путиным, позволяют надеяться, что и в России в недалеком будущем можно будет исследовать и производить столь инновационные материалы. К нам как к специалистам, имеющим большой опыт экспериментальной работы в экстремальных условиях, уже обратились российские коллеги с предложением создать отечественную установку, причем все технологические узлы предполагается сделать в нашей стране. Работы уже начались. Будем надеяться, что все получится.
Подготовили
Т. ПЛОТНИКОВА, Е. ПОНИЗОВКИНА
На фото: Т.Г. Шумилова
 
Год: 
2018
Месяц: 
май
Номер выпуска: 
10
Абсолютный номер: 
1176
Изменено 22.05.2018 - 14:55


2012 © Российская академия наук Уральское отделение
620990, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 91
makarov@prm.uran.ru +7(343) 374-07-47