Сегодня свойства жидкого углерода изучают в основном при помощи компьютерного моделирования, поскольку углерод существует при таких высоких давлениях и температурах, что их не могут выдержать никакие термопрочные сосуды. Но российским физикам удалось создать оригинальную методику, позволившую изучить свойства жидкого углерода во время эксперимента и сравнить его результаты с результатами компьютерного моделирования. Результаты этих экспериментов могут быть использованы для описания эволюции углеродных планет и усовершенствования технологий производства искусственных алмазов и углеродных нанотрубок. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters, исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

Картинка: фотография экспериментальной системы:...

Картинка: фотография экспериментальной системы: 1 — образец графитовой пленки, 2 — один из концов образца, 3 — пластины сапфира. Источник: Анатолий Рахель

Углерод лежит в основе всего живого на нашей планете. Этот элемент способен образовывать абсолютно непохожие друг на друга кристаллы. Наиболее яркие примеры — это мягкий черный графит и прозрачный невероятно прочный алмаз. По своим свойствам эти кристаллы настолько отличаются друг от друга, что невольно закрадывается сомнение в идентичности атомов, из которых они состоят. В графите атомы углерода расположены в виде слоев, в каждом из которых они очень прочно связаны друг с другом, а взаимодействие между слоями слабое. Слои графита легко скользят друг относительно друга, благодаря чему он может использоваться как карандаш или сухая смазка. За отделение от кристалла графита одного слоя атомов и изучение такого двумерного объекта, получившего название графен, в 2010 году была присуждена Нобелевская премия. Графит широко используется в атомной промышленности в качестве замедлителя нейтронов, и знание его свойств при высоких температурах и давлениях необходимо для оценки безопасности работы таких реакторов. Кроме того, эти свойства могут понадобиться для разработок технологий получения искусственных алмазов и углеродных нанотрубок.

Для изучения свойств графита при высоких температурах и давлениях, а также при его переходе в жидкое состояние исследователи помещали образец графита между двумя пластинами сапфира и нагревали его импульсом электрического тока. Каждый эксперимент длился около микросекунды, и за это время графит нагревался до температуры плавления, плавился и далее нагревался в жидком состоянии. Такая экспериментальная методика обеспечивает однородное повышение температуры образца и его одномерное тепловое расширение. В ходе эксперимента измеряются тепло, рассеянное в образце, давление, объем образца, удельное электросопротивление и температура.

— Для нас стало неожиданностью, что измеренные температуры плавления графита оказались выше общепринятых более чем на тысячу градусов. Мы первые измерили скачки плотности, энтальпии и удельного сопротивления при его плавлении, а также получили значения теплоемкости графита и жидкого углерода. Кроме того, мы обнаружили, что скорость звука в жидком углероде возрастает при уменьшении плотности. Результаты этих экспериментов могут быть использованы для описания эволюции углеродных планет и усовершенствования технологий производства искусственных алмазов и углеродных нанотрубок, — подводит итог Анатолий Рахель, кандидат физико-математических наук, сотрудник Объединенного института высоких температур РАН.