Жесткое облучение и высокие давления приводят к необычным превращениям вещества
Немецкие ученые открыли новый тип фазовых переходов. В их экспериментах облучение тяжелыми ионами твердых материалов под высоким давлением приводило к неожиданным структурным изменениям вещества.
Известные со школы три агрегатных состояния вещества — газ, жидкость и твердое тело, — дают лишь очень слабое представление о всём многообразии реализующихся в природе структур. Одно и то же вещество в твердом состоянии в зависимости от давления и температуры может существовать в совершенно разных термодинамических фазах. Например, у самой обычной воды известно уже 12 разных кристаллических фаз (то есть 12 типов льда) и подозревается наличие как минимум двух разных жидких фаз.
При изменении температуры или давления твердого вещества может произойти фазовый переход из одной фазы в другую. Он сопровождается перестройкой кристаллической решетки, изменениями термодинамических параметров, и иногда при этом меняется даже внешний вид и цвет тела (как это имеет место, например, в твердом кислороде).
На днях немецкие физики сообщили об открытии совершенно нового способа вызывать фазовые переходы в твердом веществе. Как описывается в их статье U. A. Glasmacher et al., Physical Review Letters, 96, 195701 (17 May 2006), высокое давление и одновременное облучение тяжелыми ионами способны вызвать в образце превращения, невозможные при одном только высоком давлении или при одном лишь действии радиации.
В экспериментах немцев, проведенных на ускорителе тяжелых ионов в Дармштадте, пучок энергетических ионов урана выводился из ускорителя и направлялся на помещенный в камеру образец. В обычных условиях высокоэнергетический ион, проходя через вещество, тратит часть энергии на торможение и производит разрушения вдоль своего пути. В результате кристаллический образец после облучения ионами оказывается пронизан параллельными и очень узкими (10 нм) канальцами, заполненными аморфным веществом. При умеренных дозах облучения эти тонкие канальцы расположены достаточно далеко друг от друга и на общую структуру и свойства материала почти не влияют.
Однако если тот же эксперимент провести под высоким давлением, то картина оказывается совершенно иной. Как показали опыты немцев, при облучение графитового кристаллика под давлением 80 тысяч атмосфер никаких канальцев уже не образуется. Вместо этого происходит полное перемешивание материала. Электронные микроснимки показывают, что кристаллические плоскости во всём графитовом образце разворачиваются после облучения под хаотическими углами: графит переходит в аморфное состояние.
Это явление неожиданно по двум причинам. Во-первых, совершенно непонятно, как редкие, пролетающие далеко друг от друга ионы умудряются «вскопать» весь образец целиком. Известно лишь, что существенную роль в этом играет высокое давление. Как выяснилось, без него даже при тысячекратной дозе облучения ничего подобного не происходит.
Во-вторых, если физики и ожидали увидеть фазовый переход в этой ситуации, то вовсе не в аморфную фазу. Дело в том, что при таких давлениях (и при комнатной температуре) самой стабильной формой углерода является алмаз. Графит в этих условиях менее стабилен, и потому ожидалось, что если уж перестройка кристаллической решетки началась, то она должна превратить образец в алмазный порошок. В эксперименте же получилась, фактически, зола.
Такое поведение свойственно не только графиту. Немцы провели серию похожих экспериментов с цирконием (см. пресс-релиз группы, PDF, 57 Кб) и обнаружили, что и в этом случае совместное действие облучения и высокого давления приводит к новым структурным превращениям.
Теоретикам теперь придется, по всей видимости, очень потрудиться, чтобы объяснить такое поведение материала. Перед прикладной физикой тем временем открываются заманчивые перспективы. Эксперименты немцев фактически доказали, что небольшое облучение тяжелыми ионами может играть роль катализатора, спускового механизма для новых структурных превращений веществ, находящихся под давлением. Возможно, таким путем удастся создать материалы с новыми характеристиками или упростить уже имеющийся технологический процесс. Наконец, не исключено, что эти исследования будут полезными и для гео- и астрофизики: ведь подобные процессы могут иметь место в центре планет.
См. также:
Heavy ions feel the squeeze, PhysicsWeb.org, 25.05.2006.
-
Не совсем понял.
Является ли облучение просто чем-то вроде спускового крючка, который инициирует превращение, которого можно добиться и иными средствами ИЛИ образуется полностью новая, недостижимая иными способами, фаза?
Судя по тексту, скорее всего, второе. Но тогда получается, что на фазовой диаграмме есть область термодинамических параметров, которую занимают сразу две фазы? Или жёсткое излучение должно присутствовать постоянно, чтобы этот аморфный графит существовал?-
Прежде всего, да, бывают случаи, когда при одних и тех же ТД параметрах могут существовать (про СОсуществовать -- не уверен) две фазы: одна более стабильная, другая -- менее. Просто в твердом теле переход в более стабильную фазу может оказаться очень медленным процессом.
Теперь, в случае циркония (точнее силиката циркония) -- верно первое. При облучении и давлении 14 ГПа образуется фаза "реидит"(?), которая при одном лишь облучени или при одном лишь давлении 14 ГПа не образуется. Но ее можно получить без облучения при еще большем давлении, 20 ГПа. Так что облучение лишь снижает порог, при котором начинается переход.
Про графит столь однозначно не могу ответить. Дело в том, что получается не просто аморфная фаза, а специфическая аморфная фаза, с очень интересным рисунком плоскостей. Я не уверен, что такую фазу можно получить простым давлением.-
Про цирконий. А если без излучения, сперва сформировать фазу при 20 ГПа, а потом снижать давление, при каком давлении произойдёт обратный переход? Если он произойдёт при давлении <= 14, то это означает, что нормальное состояние при 14 -- это реидит, просто для его образования не хватает затравок, коими и выступают заряженные частицы.
Аналогия: например, как я слышал, сверхчистую воду в сверхгладкой ёмкости можно нагреть до температуры больше 100 градусов и она не закипит, поскольку не будет очагов парообразования.
Про графит: продолжает ли существовать эта специфическая аморфная фаза, если убрать излучение? То есть, выступает ли уровень излучения ещё одним термодинамическим измерением или нет?
-
-
Последние новости
