Вчені провели дослідження твердого заліза, поміщеного під вплив рекордного рівня тиску
Залізо - це найпоширеніший елемент у складі матерії земного ядра і шостий за поширеністю елемент у всій Всесвіту. Як ключовий компонент переважної більшості сучасних технологій, залізо є найбільш вивченим людьми матеріалом, в тому числі і при різних екстремальних умовах. Але, дослідження заліза, як матеріалу тривають донині і група вчених з Лабораторії лазерної енергетики (Laboratory for Laser Energetics, LLE) університету Рочестера, очолювана Юань Пінгом (Yuan Ping), провела дослідження заліза, що залишився, завдяки деяким прийомам, у твердому стані під рекордно високим тиском, що становить 5.6 мільйонів атмосфер, тобто в 5.6 мільйона разів перевищує тиск на поверхні Землі.
Таку рекордну тиск було досягнуто за рахунок використання методу мульти-ударного стиснення, комбинирующего сильний механічний вплив на матеріал з "ударами" коротких імпульсів світла надзвичайно потужного лазера. Використовуючи серію ударів, а не одного потужного удару, вчені домоглися збереження низького рівня ентропії матеріалу, що дозволило утримати температуру матеріалу нижче точки його плавлення і зберегти залізо у твердому стані.
Вивчення властивостей матеріалів, що знаходяться в екстремальних умовах, є більш важливим, ніж можливість створення цих умов. В даному випадку так само високий тиск було створено не заради рекорду, а заради вивчення властивостей і поведінки заліза в цих умовах. Для аналізу що відбуваються всередині заліза процесів вчені використовували метод рентгеноскопії EXAFS (extended X-ray absorption fine structure), який є одним з найбільш потужних інструментів, що використовуються для досліджень матеріалів. В даний час використання методу EXAFS для вивчення матеріалів, що знаходяться в екстремальних умовах, знаходиться лише на початковому рівні, але вже приносить відчутні результати.
Дані про залозі, підданому впливу надзвичайно великого тиску, отримані за допомогою методу EXAFS, показали, що до тиску 3 мільйонів атмосфер властивості заліза збігаються з даними математичних розрахунків і підтверджують дані інших експериментів. Але, переступивши через деяку планку значення тиску, вчені несподівано виявили, що температура матеріалу стала істотно вище, ніж вона могла підвищитися тільки за рахунок енергії стиснення. Провівши більш докладні дослідження цього феномена, вчені з'ясували, що додаткове тепло є ефектом нееластичного спотворення кристалічної гратки матеріалу, так званого ефекту "пластичної роботи /plastic work". Цей ефект проявляється після швидкого, протягом декількох мільярдних часток секунди, стиснення матеріалу, і призводить до стрибкоподібного збільшення міцності і твердості матеріалу, супроводжуючись виділенням досить великої кількості тепла.
"Нам знадобилося більше двох років для розробки нової експериментальної платформи і технологій" - розповідає Юань Пінг, - Пізніше ми плануємо суттєво розширити можливості нашої дослідницької технології за рахунок використання більш потужних лазерних систем, таких, як National Ignition Facility, яка зараз перебуває не у справ. Це дозволить нам у багато разів підняти значення тиску і скоротити проміжки часу, що в свою чергу, дозволить більш детально вивчити динаміку процесів, що відбуваються в матеріалах в екстремальних умовах".