Поиск - новости науки и техники

Гори, алмазная звезда! Геологи осваивают космос.

В Институте геологии Коми НЦ УрО РАН (Сыктывкар) проводят пионерские исследования алмаза и других форм углерода, воспроизводят процессы их образования в природе и синтезируют в лабораторных условиях. Об уникальных экспериментах и их результатах корреспондентам “Поиска” рассказала заведующая лабораторией минералогии алмаза ИГ доктор геолого-минералогических наук Татьяна ШУМИЛОВА (на снимке). 
– Мы пытаемся понять, как образуется алмаз в недрах Земли, чтобы совершенствовать методы поиска новых алмазных месторождений, – начала разговор Т.Шумилова. – В ходе экспериментов были получены 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 нам удалось воспроизвести условия, характерные для звезд, в частности, для белых карликов.
Чтобы удержать экстремально высокие температуры, мы использовали алмазные наковальни с лазерным нагревом, которые представляют собой два высококачественных кристалла алмаза, не уступающие по своим характеристикам 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 проводить измерения. 
– Как 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?
–  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 ведет себя необычно в условиях эксперимента, очень сильно разогревается 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?
– Я была бы счастлива, 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. Еще в 2008 году мы провели первые эксперименты 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, объемы его синтеза недостаточны. 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. Ставили мы одну задачу, а в ходе ее решения получили параллельный результат, имеющий не меньшую, если не большую, ценность по сравнению с первоначально поставленной целью. Это одна из особенностей фундаментальной науки, когда конечный продукт не всегда совпадает с ожиданиями. Так у нас бывает нередко: занимаясь одной задачей, кроме основного решения находим ответы на вопросы и в других областях, открывающие новые перспективы. Это и называется междисциплинарным подходом. Например, сейчас мы с нашими коллегами из Иркутска оформляем два патента. Исходная проблема исследований опять же была исключительно геологической, а на выходе помимо ее разрешения был получен еще и дополнительный продукт – уникальные углеродные фотоноподобные кристаллы, перспективные для разработок технологий в инфракрасном диапазоне.
Кроме того, 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 мы в недалеком будущем сможем 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.
Беседу вели Тамара ПЛОТНИКОВА, Елена ПОНИЗОВКИНА
На фото: схематичная модель эксперимента в алмазных наковальнях с лазерным нагревом. 
Иллюстрации предоставлены Институтом геологии Коми НЦ УрО РАН

Нет комментариев