Лазерная установка NIF обеспечила возможность создания условий и проверки поведения железа при экстремальных параметрах
Наука и космос211:16
Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) впервые произвели измерение динамической прочности железа при температурах и давлениях, соответствующих условиям внутреннего ядра Земли. Для проведения эксперимента они задействовали крупнейшую в мире лазерную систему National Ignition Facility (NIF), которая смогла временно воспроизвести параметры глубин планеты без необходимости бурения на тысячи километров.
Железо является ключевым компонентом ядра Земли и других каменистых планет, однако его поведение при давлениях и температурах, характерных для внутреннего ядра, все еще остается недостаточно изученным. Собранные данные позволили выяснить, как железо противостоит деформации и течению в условиях, близких к центру нашей планеты.
Ранее такие измерения были фактически недоступны: ни один лабораторный метод не мог одновременно обеспечить необходимые давление и температуру, а также выдержать условия достаточно долго для анализа движения материала и проводить измерения непосредственно в ходе эксперимента. Возможности NIF позволили преодолеть это ограничение.
Перед проведением экспериментов команда выполнила серию расчетов для оптимизации конструкции мишени и параметров лазерного импульса. Физики должны были достичь давления около 3 миллионов атмосфер и температуры приблизительно 5000 °C, но при этом не нагревать железо настолько быстро, чтобы оно расплавилось. Подготовка этих расчетов была изложена в отдельной работе 2022 года.
В процессе эксперимента ученые применили лазерное воздействие, основанное на неустойчивости Рэлея — Тейлора — процессе, возникающем, когда легкий материал ускоряет более плотный, вызывая рост возмущений на границе между ними.
Лазерный импульс воздействовал на квадратную мишень размером 5,35 мм, состоящую из нескольких слоев различных материалов. На поверхности железа были нанесены засечки определенной формы, изменение которых помогло ученым оценить деформацию материала. Дополнительные лазерные лучи создали высокоэнергетическое рентгеновское излучение, с помощью которого исследователи получили изображения мишени в разные моменты эксперимента. Одновременно оптическая система VISAR измеряла скорость движения задней поверхности образца, что дало возможность определить достигнутое давление.
После завершения экспериментов команда использовала компьютерное моделирование двух типов. Гидродинамические расчеты продемонстрировали общую картину происходящих процессов, тогда как молекулярно-динамические модели позволили исследовать реакцию материала на уровне отдельных атомов. Сопоставление расчетов с экспериментальными данными дало возможность определить прочность железа в условиях, близких к внутреннему ядру Земли.
Исследователи также обнаружили неожиданный эффект: при высоком давлении железо проходит фазовый переход — перестройку размещения атомов, что приводит к дополнительному дроблению его внутренней структуры на более мелкие зерна. Эти изменения влияют на реологию материала, то есть на его способность деформироваться и течь под воздействием внешних сил.
Команда выяснила, что высокобарическая фаза железа ε-Fe, полученная из исходного монокристалла α-Fe с определенной ориентацией атомной структуры, обладает большей прочностью, чем вариант с другой ориентацией. Это отличается от поведения железа при стандартных условиях на поверхности Земли. Компьютерное моделирование на крупных масштабах подтвердило тот же результат и показало, что различие связано с особенностями фазового перехода и последующей деформации материала.
По словам физика LLNL Ён Чжэ Кима (Yong-Jae Kim), понимание прочности железа и зависимости его свойств от микроструктуры имеет важное значение для изучения сейсмической анизотропии внутреннего ядра — различий в распространении сейсмических волн через ядро. Эти процессы связаны с динамикой ядра и историей формирования магнитного поля Земли.
В дальнейшем команда планирует исследовать область перехода между внутренним и внешним ядром Земли. Полученные результаты расширяют возможности экспериментов на NIF для изучения поведения материалов при экстремальных давлениях и температурах, аналогичных условиям глубин планет.
Darth SaharaИсточники:Nature CommunicationsНаука и космос2Физика высоких энергийМагнитное поле ЗемлиФизика материаловМолекулярная динамикаЯдро ЗемлиЭкстремальные давления11:16
Источник