Ученые перепишут учебники о фазовых переходах 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.