html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Физики впервые увидели переход азота в жидкое металлическое состояние


S. Jiang et al. / Nature Communications

Физики из США, Великобритании и Китая впервые увидели фазовый переход азота в состояние жидкого металла в прямом эксперименте. Для этого исследователи сжали образец на алмазной наковальне до давления порядка 1,2 миллиона атмосфер и нагрели его лазером до температуры около трех тысяч кельвинов, поддерживая давление постоянным, а затем измерили спектры поглощения и отражения вещества. Статья опубликована в Nature Communications.

В настоящее время атмосфера Земли примерно на 75 процентов состоит из азота (если сравнивать массу газов), хотя так было не всегда. Изначально атмосфера состояла из водорода и гелия, захваченных из межпланетного пространства, а потом начала насыщаться аммиаком, углекислым газом и водяным паром в результате вулканической активности. Со временем легкие газы улетучились в космос, а аммиак окислился под действием кислорода, вырабатываемого в результате фотосинтеза. Если проследить эту цепочку в обратную сторону, можно увидеть, что бо́льшая часть атмосферного азота в прошлом находилась внутри Земли, где условия существенно отличаются от поверхности: давление там может доходить до 3,5 миллионов атмосфер, а температура — до шести тысяч градусов Кельвина.

В таких экстремальных условиях вещество ведет себя необычно — например, молекулы собираются в кристаллическую структуру, а многие «невозможные» соединения становятся стабильными. Во многом поведение азота при высоких давлениях и температурах напоминает поведение другого известного двухатомного газа — водорода. Каждое из этих веществ при определенных условиях превращается в металл, а его молекулы распадаются на отдельные атомы; при этом кривые в пространстве параметров, разделяющие различные фазы, выглядят очень похоже (например, при высоких температурах переходы непрерывны). Тем не менее, химические свойства азота и водорода отличаются — благодаря тому, что атомы азота могут образовать две или три ковалентные связи с другими атомами, азот может формировать сложные полиатомные и полимерные соединения. Из-за этого при высоких давлениях существует большое число различных фазовых состояний азота — например, к их числу относят аморфную жидкость, кубическую (cubic-gauche, cg-N) и «слоеную» (layered polymeric, LP-N) структуры. К сожалению, большинство исследований азота в экстремальных условиях — чисто теоретические, то есть полагаются на численные расчеты в рамках теории функционала плотности (DFT). В частности, из-за ограничений на установки, получающие сверхвысокие давления, до последнего времени экспериментаторы не могли проверить область давлений более одного миллиона атмосфер и температур от 2500 до 6000 кельвинов — область, отвечающую условиям в центре Земли.

Группа исследователей под руководством Александра Гончарова заполнила этот пробел, сжимая азотный образец на алмазной наковальне до давлений 1,2–1,6 миллиона атмосфер (120–160 гигапаскалей) и нагревая его с помощью инфракрасного лазера до температуры около трех тысяч кельвинов. Для нагрева ученые светили на образец лазерными импульсами длительностью 4–10 микросекунд — этого промежутка времени достаточно, чтобы в веществе установилось термодинамическое равновесие, но еще не начали формироваться полимерные цепочки. Давление в ходе повышения температуры оставалось практически постоянным (колебания составляли менее пяти процентов). После окончания нагрева ученые просвечивали образец лазерным излучением с непрерывным спектром в оптическом диапазоне (длина волны 480–750 нанометров) и измерили спектры поглощения и отражения.

Схема экспериментальной установки

S. Jiang et al. / Nature Communications

Схема и фотография (в правом верхнем углу) алмазной ячейки

S. Jiang et al. / Nature Communications


В результате ученые обнаружили, что при фиксированном давлении Pc > 1,2 миллиона атмосфер и повышении температуры до величины Tc = 3000 кельвинов доля поглощенного излучения резко падает во всем спектральном диапазоне, а доля отраженного излучения резко возрастает. Это указывает на то, что при низких температурах вещество является сравнительно прозрачным полупроводником с широкой запрещенной зоной, а при нагревании ширина запрещенной зоны уменьшается, и азот становится металлом. Критическое давление Pc близко к условиям образования кристаллической кубической фазы cg-N, что говорит о низкой энергии диссоциации молекул. С другой стороны, критическая температура Tc близка к температуре плавления твердых фаз азота. Следовательно, наблюдаемое в эксперименте состояние — это состояние жидкого металла, образованного практически полностью распавшимися молекулами азота.

Спектр поглощения образца во время нагрева лазерным импульсом при давлении P = 1,21 миллиона атмосфер

S. Jiang et al. / Nature Communications

Доли поглощенного излучения при разной мощности лазера при давлении P = 1,21 миллиона атмосфер

S. Jiang et al. / Nature Communications

Пересчет энергии лазерного импульса в температуру образца. Во вставке — зависимость доли поглощенного излучения от температуры

S. Jiang et al. / Nature Communications

Спектр отраженного излучения во время нагрева лазерным импульсом при давлении P = 1,21 миллиона атмосфер

S. Jiang et al. / Nature Communications


Авторы статьи отмечают, что эти результаты совпадают с результатами похожих экспериментов, в которых высокое давление получалось динамически, а не статически. Тем не менее, достигаемая в этих экспериментах температура не опускалась ниже 7000 кельвинов — потому они не могли ухватить момент перехода вещества в жидкое металлическое состояние, а только констатировали его образование. Кроме того, фазовый переход происходит при более высоких давлениях, чем предсказывали теоретические модели — это значит, что теория требуют определенной доработки.

Физики часто исследуют поведение материалов в экстремальных условиях. Например, в январе 2017 года исследователи из Гарвардского университета впервые экспериментально получили металлический водород, сжимая его в алмазной наковальне до давления порядка пяти миллионов атмосфер и охлаждая до температуры пяти кельвинов. А в феврале того же года группа ученых под руководством Артема Оганова заставила гелий образовать устойчивое соединение с натрием при давлении около 1,6 миллиона атмосфер. Подробнее про получение экстремальных условий в лаборатории можно прочитать в нашем материале «Путешествие к центру Земли».

Дмитрий Трунин

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с nplus1.ru

1

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • nplus1.ru
          • физика
          • ученые
          • университет
          • исследования
          • эксперименты
          • домен nplus1.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции