Вперше досліджено властивості рідкого вуглецю

Сьогодні властивості рідкого вуглецю вивчають в основному за допомогою комп'ютерного моделювання, оскільки рідкий вуглець утворюється за таких високих температур, що їх не можуть витримати ніякі термоміцні судини. Але російським фізикам вдалося створити оригінальну методику, яка дозволила вивчити властивості рідкого вуглецю під час експерименту та порівняти його результати з результатами комп'ютерного моделювання. Результати цих експериментів можуть бути використані для опису еволюції вуглецевих планет та удосконалення технологій виробництва штучних алмазів та вуглецевих нанотрубок. Робота опублікована у журналі Physical Review Letters, дослідження підтримані грантом Російського наукового фонду.

Вуглець лежить в основі всього живого на нашій планеті. Цей елемент здатний утворювати абсолютно несхожі один на одного кристали. Найбільш яскраві приклади – це м'який чорний графіт та прозорий неймовірно міцний алмаз. За своїми властивостями ці кристали настільки відрізняються один від одного, що мимоволі закрадається сумнів щодо ідентичності атомів, з яких вони складаються.

У графіті атоми вуглецю розташовані у вигляді шарів, у кожному з яких вони дуже міцно пов'язані один з одним, а взаємодія між шарами слабка. Шари графіту легко ковзають один щодо одного, завдяки чому він може використовуватися як олівець або сухе мастило. За відокремлення від кристала графіту одного шару атомів та вивчення такого двовимірного об'єкта, який отримав назву графен, у 2010 році було присуджено Нобелівську премію.Графіт широко використовується в атомній промисловості як сповільнювач нейтронів, і знання його властивостей при високих температурах і тисках необхідне оцінки безпеки роботи таких реакторів. Крім того, ці властивості можуть знадобитися для розробок технологій одержання штучних алмазів та вуглецевих нанотрубок. Для вивчення властивостей графіту при високих температурах і тисках, а також при переході в рідкий стан дослідники поміщали зразок графіту між двома пластинами сапфіру і нагрівали його імпульсом електричного струму. Кожен експеримент тривав близько мікросекунди, і цей час графіт нагрівався до температури плавлення, плавився і далі нагрівався в рідкому стані. Така експериментальна методика забезпечує однорідне підвищення температури зразка та його одновимірне теплове розширення. У ході експерименту вимірюються тепло, розсіяне у зразку, тиск, обсяг зразка, питомий електроопір та температура.

«Для нас стало несподіванкою, що виміряні температури плавлення графіту виявилися вищими за загальноприйняті більш ніж на тисячу градусів. Ми перші виміряли стрибки щільності, ентальпії та питомого опору при його плавленні, а також отримали значення теплоємності графіту та рідкого вуглецю. Крім того, ми виявили, що швидкість звуку в рідкому вуглеці зростає при зменшенні густини. Результати цих експериментів можуть бути використані для опису еволюції вуглецевих планет та удосконалення технологій виробництва штучних алмазів та вуглецевих нанотрубок», — підбиває підсумок Анатолій Рахель, кандидат фізико-математичних наук, співробітник Об'єднаного інституту високих температур РАН.

Сподобався матеріал? Додайте Indicator.Ru до «Моїх джерел» Яндекс.Новин і читайте нас частіше. Прес-релізи про наукові дослідження, інформацію про останні наукові статті та анонси конференцій, а також дані про виграні гранти та премії надсилайте на адресу [email protected].

Чи дійсно рідкий вуглець працює

Російські фізики першими вивчили властивості рідкого вуглецю - РІА Новости, 02.09.2019

Вчені з Об'єднаного інституту високих температур РАН "розплавили" графіт та вперше детально вивчили властивості рідкої форми вуглецю. Результати їх вимірів. РІА Новини, 02.09.2019

МОСКВА, 14 травня - РІА Новини. Вчені з Об'єднаного інституту високих температур РАН "розплавили" графіт та вперше детально вивчили властивості рідкої форми вуглецю. Результати їх вимірів були опубліковані в журналі Physical Review Letters. "Для нас стало несподіванкою, що виміряні температури плавлення графіту виявилися вищими за загальноприйняті більш ніж на тисячу градусів. Крім того, ми виявили, що швидкість звуку в рідкому вуглеці зростає при зменшенні щільності. Результати цих експериментів допоможуть покращити властивості штучних алмазів та вуглецевих нанотрубок", – заявив Анатолій Рахель з ОІВТ РАН. Майже всі елементи та хімічні сполуки, що існують у Всесвіті, можуть приймати чотири різні агрегатні форми матерії – перетворюватися на тверде тіло, рідину, газ та плазму.Ці перетворення, так звані фазові переходи, вже багато століть вивчаються фізиками, і поки вчені не можуть впевнено сказати, що вони повністю розуміють усі подібні процеси. сполуки, такі як миш'як, вуглекислота або чистий вуглець, не володіють рідкою формою і безпосередньо перетворюються на газ або тверде тіло при нагріванні або охолодженні. або дуже високих тисків, однак таких умов немає ні на Землі, ні на інших планетах, за винятком їх надщільних надр. З цієї причини вчені досі не мають навіть мінімально точних уявлень про те, за яких температур і тисків плавиться вуглець. отримати рідкий вуглець та вивчити його властивості. Перше завдання японські вчені вирішили ще в 1997 році, пропустивши найпотужніший розряд електрики через вуглець, проте в наступні роки ні вони, ні інші фізики не змогли виміряти характеристики цієї екзотичної рідини. Рахель та його колега Арсеній Кондратьєв першими отримали ці експериментальні дані, використовуючи дотепний прийом . Вони сконструювали графітову плівку з ідеально накладених один одного листів вуглецю і "упакували" її в особливий прозорий матеріал з сапфірових пластинок. .Це майже повністю виключало ймовірність того, що всередині цієї конструкції виникнуть неоднорідності, здатні внести похибку у вимірювання властивостей рідкого вуглецю. розплавленого вуглецю, його густина, температуру плавлення, структуру та інші фізичні характеристики. Паралельно вони вивчали цей матеріал за допомогою пірометрів та інших приладів. Як виявилось, температура плавлення та інші властивості рідкого вуглецю досить сильно розходилися з тим, що очікували побачити фізики, спираючись на результати теоретичних розрахунків. Вчені припускають, що деякі з цих аномалій були пов'язані з тим, що атоми вуглецю починають інакше з'єднуватися один з одним, подібно до того, як влаштований алмаз і метан.