Глубинные условия Земли, чтобы увидеть, как железо справляется с экстремальными нагрузками

Атомы железа образуют гексагональную решетку при высоких давлениях. При еще более высоких давлениях и сверхбыстрой деформации решетка железа перестраивается посредством процесса, называемого «двойникование». Фото: С. Меркель / Лилльский университет, Франция.

Очевидно, что измерение того, что происходит во время столкновения небесных тел или ядра Земли, не очень практично. Таким образом, большая часть нашего понимания планетных ядер основана на экспериментальных исследованиях металлов при менее экстремальных температурах и давлениях. Но исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики впервые наблюдали, как атомная структура железа деформируется, чтобы приспособиться к нагрузкам от давления и температуры, которые возникают сразу за пределами внутреннего ядра.

Справиться со стрессом

Большая часть железа, с которым вы сталкиваетесь в повседневной жизни, состоит из атомов, расположенных в наноскопических кубах, с атомами железа в каждом углу и одним в центре. Если вы сожмете эти кубики, применив чрезвычайно высокое давление, они перестроятся в шестиугольные призмы, которые позволят атомам собраться более плотно.

Исследователи воссоздают глубинные условия Земли, чтобы увидеть, как железо справляется с экстремальными нагрузками. Предоставлено: Грег Стюарт / Национальная ускорительная лаборатория SLAC.

Группа в SLAC хотела посмотреть, что произойдет, если вы продолжите оказывать давление на это шестиугольное устройство, чтобы имитировать то, что происходит с железом в ядре Земли или во время входа в атмосферу из космоса. «Мы не совсем создали внутренние основные условия», – говорит соавтор Арианна Глисон, ученый из отдела науки о высокой плотности энергии (HEDS) SLAC. «Но мы достигли условий внешнего ядра планеты, что действительно замечательно».

Никто никогда раньше не наблюдал напрямую реакцию железа на стресс при таких высоких температурах и давлениях, поэтому исследователи не знали, как оно отреагирует. «Пока мы продолжаем работать, утюг не знает, что делать с этим дополнительным напряжением», – говорит Глисон. «И ему необходимо снять этот стресс, поэтому он пытается найти наиболее эффективный механизм для этого».

Механизм выживания, который железо использует для борьбы с этим дополнительным напряжением, называется «двойникованием». Расположение атомов смещается в сторону, поворачивая все шестиугольные призмы почти на 90 градусов. Двойникование – это обычная реакция на давление в металлах и минералах: кварц, кальцит, титан и цирконий подвергаются двойникованию.

«Двойное образование позволяет железу быть невероятно прочным – сильнее, чем мы думали вначале, – прежде чем оно начнет пластическое течение в гораздо более длительных временных масштабах», – сказал Глисон.

Сказка о двух лазерах

Для достижения этих экстремальных условий потребовались два типа лазеров. Первым был оптический лазер, который генерировал ударную волну, которая подвергала железный образец воздействию чрезвычайно высоких температур и давлений. Вторым был рентгеновский лазер на свободных электронах Linac Coherent Light Source (LCLS) SLAC, который позволил исследователям наблюдать за железом на атомном уровне. «В то время LCLS был единственным учреждением в мире, где это можно было сделать», – говорит ведущий автор Себастьян Меркель из Университета Лилля во Франции. «Это открыло двери для других подобных объектов в мире».

Команда выстрелила обоими лазерами крошечный образец железа шириной с человеческий волос, ударив по нему ударной волной тепла и давления. «Комната управления находится прямо над экспериментальной», – говорит Меркель. «Когда вы запускаете разряд, вы слышите громкий хлопок».

Когда ударная волна попала в железо, исследователи использовали рентгеновский лазер, чтобы наблюдать, как ударная волна изменила расположение атомов железа. «Мы смогли произвести измерение за миллиардную долю секунды», – говорит Глисон. «Заморозить атомы на том месте, где они находятся, в течение этой наносекунды – это действительно захватывающе».

Исследователи собрали эти изображения и собрали их в блокнот, который показал деформацию железа. До завершения эксперимента они не знали, будет ли железо реагировать слишком быстро, чтобы они могли измерить, или слишком медленно, чтобы они когда-либо видели. «Тот факт, что побратимство происходит в масштабе времени, который мы можем измерить, является важным результатом сам по себе», – говорит Меркель.

Будущее светлое

Этот эксперимент служит подставкой для книги для понимания поведения железа. Ученые собрали экспериментальные данные о структуре железа при более низких температурах и давлениях и использовали их для моделирования поведения железа при чрезвычайно высоких температурах и давлениях, но никто никогда не тестировал эти модели экспериментально.

«Теперь мы можем дать оценку некоторым физическим моделям действительно фундаментальных механизмов деформации», – говорит Глисон. «Это помогает создать некоторые из возможностей прогнозирования, которых нам не хватает для моделирования реакции материалов в экстремальных условиях».

Исследование дает захватывающее представление о структурных свойствах железа при чрезвычайно высоких температурах и давлениях. Но результаты также являются многообещающим индикатором того, что эти методы могут помочь ученым понять, как другие материалы ведут себя также в экстремальных условиях.

«У нас прекрасное будущее, потому что мы разработали способ проведения этих измерений», – говорит Глисон. «Недавняя модернизация ондулятора рентгеновского излучения в рамках проекта LCLS-II позволяет получать более высокие энергии рентгеновского излучения, что позволяет проводить исследования более толстых сплавов и материалов с более низкой симметрией и более сложных рентгеновских отпечатков пальцев».

Обновление также позволит исследователям наблюдать за более крупными образцами, что даст им более полное представление о железоатомарное поведение и улучшить свою статистику. Кроме того, «мы собираемся получить более мощные оптические лазеры с одобрением строительства новой флагманской петаваттной лазерной установки, известной как MEC-U», – говорит Глисон. «Это сделает будущую работу еще более увлекательной, потому что мы сможем без проблем добраться до состояния внутреннего ядра Земли».