Поиск - новости науки и техники

Под прессом. Чтобы постичь структуру вещества, давите!

В природе происходит много удивительных явлений, изучить которые можно, лишь проводя эксперименты по аналогии – реконструировав тот или иной естественный процесс. Старший научный сотрудник Института геологии и минералогии им. В.С.Соболева Сибирского отделения РАН и доцент Новосибирского государственного университета кандидат геолого-минералогических наук Павел Гаврюшкин исследует карбонат кальция при экстремальных условиях. Тема, над которой он работает, – “Фазы высокого давления и микроструктурные особенности кристаллов CaCO3” – поддержана грантом Президента РФ. Как молодой ученый проводит свои исследования и что хочет узнать нового о, казалось бы, столь известном карбонате кальция? 
– Прежде всего, мы исследуем структурные изменения, происходящие с карбонатом кальция (CaCO3) в экстремальных условиях, то есть при повышенных температурах и давлениях, – вводит в курс дела П.Гаврюшкин. – Каждое химическое вещество в твердом состоянии имеет атомную структуру, которую можно определить экспериментально. Например, если взять образцы карбоната кальция из мраморов различных месторождений, то во всех атомная структура будет одинакова. Однако эта структура зависит от условий, прежде всего температуры и давления. Все хорошо знают пару “графит-алмаз”. При низких давлениях атомы углерода собираются в слоистую структуру графита, при высоких – в однородную алмаза. Говоря по-научному, графит и алмаз – это полиморфные модификации, а превращение графита в алмаз – полиморфный переход. Так вот, в рамках проекта нам предстоит определить структуру полиморфных модификаций карбоната кальция, образующихся при экстремальных условиях. 
– Где проходят границы экстремальности? Какие условия экстремальны, а какие нет? 
– Экстремальными мы считаем условия, характерные для мантии и ядра Земли. Давление на поверхности нашей планеты – одна атмосфера, температура – от плюс 50 до минус 50 градусов Цельсия. Это не экстремальные состояния. В мантии Земли давление может превышать миллион атмосфер, а температура – доходить до 3000 градусов. Эти условия уже экстремальны. 
– Как создаются такие высокие давления в эксперименте?
– Существует два основных типа аппаратов высокого давления: прессы и алмазные ячейки. Преимущество прессов в том, что в них можно сдавить относительно большие объемы вещества. Но чем больший объем мы сдавливаем, тем меньше будет давление, так как при одинаковом усилии давление обратно пропорционально площади. С помощью прессов можно создавать давления до 300-400 тысяч атмосфер. Для исследования более высоких давлений используются специальные прессы с алмазными наковальнями – так называемые алмазные ячейки, они позволяют достичь 2 миллионов атмосфер. Просвечивая такую ячейку лазерным или рентгеновским пучком, получают информацию о структуре вещества при экстремальных условиях. В нашем проекте запланировано использование и прессов, и алмазных ячеек. С температурой несколько проще. Нагревать образец можно резистивно, то есть пропуская электрический ток через металл с высоким сопротивлением. По такому принципу работают чайники и плитки. Либо лазерным пучком. Наковальни алмазной ячейки прозрачны для такого излучения. Лазерный пучок, проходя через наковальни, поглощается образцом и нагревает его.
– Приходится ли использовать зарубежную приборную базу или достаточно своих ресурсов? 
– Я упомянул, что алмазную ячейку можно просветить пучком рентгеновского излучения. Рабочую область пресса тоже можно просветить рентгеном, для этого нужно сделать специальные, прозрачные для рентгена окна. Так вот, рентгеновское излучение в эксперименте должно быть очень высокой интенсивности, иначе оно просто не доберется до детектора, ведь на своем пути ему нужно пройти через две алмазные наковальни и образец. Такое интенсивное излучение получают на синхротронах. 
К сожалению, у нас в России отсутствуют синхротроны, оснащенные современным оборудованием для проведения экспериментов при высоких давлениях. Испытания в алмазной ячейке мы планируем проводить на синхротроне APS (США), а в прессах – на синхротроне Spring 8 (Япония). Часть экспериментов пройдет у нас в Новосибирске: в Центре синхротронного и терагерцового излучения и в лаборатории сверхвысоких давлений Института геологии и минералогии СО РАН.
– Ваш проект является чисто экспериментальным или же теоретические исследования также запланированы?
– Особенность нашего проекта – в совместном применении теоретических и экспериментальных методов. С помощью расчетов мы проводим оценку перспективности и целесо­образности экспериментальных исследований. Если расчет показывает, что в каком-то интервале давлений образуются новые полиморфные модификации, то планируется эксперимент и проводится детальное исследование этого интервала давлений. По аналогичной схеме мы работали в рамках предыдущего президентского гранта. Тогда исследовали щелочные карбонаты, теперь занимаемся щелочноземельными. 
– Для таких расчетов достаточно обычного персонального компьютера или нужна более серьезная техника?
– Наши расчеты очень ресурсоемки. Если их проводить на обычной персоналке, то это заняло бы годы, поэтому мы пользуемся ресурсами информационно-вычислительного центра Новосибирского государственного университета, или коротко – современного суперкомпьютера НГУ. Его ресурсов достаточно для выполнения наших задач, и у нас нет необходимости обращаться в  зарубежные вычислительные центры. Здесь я бы хотел выразить благодарность администрации университета и лично Владиславу Калюжному, системному администратору центра. Даже не знаю, что бы мы делали, если бы под рукой не было этого суперкомпьютера. 
– Вы исследуете структуру карбоната кальция при экстремальных условиях. Чем интересны эти исследования и какое место они занимают в глобальной картине мира?
– Карбонат кальция – это та соль Земли, которой нужно совсем немножко, чтобы принципиально изменить происходящие в Земле процессы. Его в недрах планеты немного, но даже небольшое его количество сильно снижает температуру плавления мантийных пород, что определяет глобальные тектонические процессы и приводит, например, к образованию вулканов на поверхности Земли. 
Все знают про круговорот воды в природе, но не все знают, что углерод тоже имеет свой круговорот и гораздо более глубинный, его корни уходят в мантию, возможно, даже до границ мантии и ядра Земли. По окраинам континентов в глубоководных желобах океанические плиты погружаются под континентальные. Погружаясь, они забирают с собой накопившийся на их поверхности карбонат кальция. Так он попадает в мантию, в те самые экстремальные условия. Несмотря на многочисленные исследования, вопрос о том, какую структуру имеет карбонат кальция в этих условиях, окончательно не решен. Есть спорные моменты, белые пятна. 
– Каково практическое применение ваших результатов?
– Наш проект нацелен на решение фундаментальных проблем. Однако знание о том, как будет вести себя карбонат кальция при экстремальных условиях, позволяет по-новому взглянуть на его поведение в поверхностных процессах. Стекаясь из разных источников, такие знания образуют единую, комплексную картину, определяют направления, в которых нужно идти практикам на пути создания новых материалов. Любое фундаментальное знание, на мой взгляд, практично, так как расширяет наше представление о мире. 
Василий ЯНЧИЛИН
Фото предоставлено П.Гаврюшкиным

Нет комментариев