Алмаз выдерживает давление, в пять раз превышающее давление в ядре Земли. Ученые считают, что эти данные могут помочь исследователям понять внутреннее устройство богатых углеродом планет. Но как?
Что такое алмаз?
Алмаз — минерал, кубическая аллотропная форма углерода. При нормальных условиях метастабилен, то есть может существовать неограниченно долго. В вакууме или в инертном газе при повышенных температурах постепенно переходит в графит. Самый твердый по шкале эталонных минералов твердости Мооса.
Алмаз является широкозонным полупроводником. У него очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе — всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких пленок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки.
Одним из важных свойств алмазов является люминесценция. Под действием солнечного света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей камни начинают люминесцировать — светиться различными цветами.
Под действием катодного и рентгеновского излучения светятся все разновидности алмазов, а под действием ультрафиолетового — только некоторые. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения камней из породы.
Алмаз в материнской породе
Алмаз сходен со многими бесцветными минералами — кварцем, топазом, цирконом, которые часто используются в качестве его имитаций. Отличается твердостью — это самый твердый из природных материалов (по шкале Мооса — 10), оптическими свойствами, прозрачностью для рентгеновских лучей, светимостью в рентгеновских, катодных, ультрафиолетовых лучах.
Алмаз — редкий, но вместе с тем довольно широко распространенный минерал. Промышленные месторождения известны на всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений камня.
Уже несколько тысяч лет назад алмазы в промышленных масштабах добывались из россыпных месторождений. Только к концу XIX века, когда впервые были открыты алмазоносные кимберлитовые трубки, стало ясно, что они не образуются в речных отложениях.
О происхождении и возрасте алмазов до сих пор нет точных научных данных. Ученые придерживаются разных гипотез — магматической, мантийной, метеоритной, флюидной, есть даже несколько экзотических теорий.
Большинство склоняется к магматической и мантийной теориям, к тому, что атомы углерода под большим давлением (как правило, 50 000 атмосфер) и на большой (примерно 200 км) глубине формируют кубическую кристаллическую решетку — собственно алмаз. Камни выносятся на поверхность вулканической магмой во время формирования так называемых трубок взрыва.
Схематическое изображение кристаллической решётки алмаза
Исключительная твердость находит свое применение в промышленности: драгоценный камень используют для изготовления ножей, сверл, резцов и тому подобных изделий.
Потребность для промышленного применения вынуждает расширять производство искусственных алмазов. В последнее время проблема решается за счет кластерного и ионно-плазменного напыления алмазных пленок на режущие поверхности.
Алмазный порошок (как отход при обработке природного алмаза, так и полученный искусственно) используется как абразив для изготовления режущих и точильных дисков, кругов и т. д.
В чем особенность алмазов?
Главные отличительные черты алмаза — высочайшая среди минералов твердость (и в то же время хрупкость), наиболее высокая теплопроводность среди всех твердых тел 900–2300 Вт/(м·К), большой показатель преломления и дисперсия.
Алмаз является широкозонным полупроводником. У него очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе — всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких пленок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие пленки не образуются, коэффициент трения возрастает и достигает 0,6–1,0.
Высокая твердость обуславливает исключительную износостойкость алмаза на истирание. Для него также характерны самый высокий (по сравнению с другими известными материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия.
Температура плавления составляет примерно 3 700–4 000 °C при давлении ~11 ГПа. На воздухе алмаз сгорает при 850–1 000 °C, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720–800 °C, полностью превращаясь в углекислый газ.
Алмаз может выдержать пятикратное давление в ядре Земли
В конце января 2021 года ученые выяснили, что алмаз выдерживает давление, в пять раз превышающее давление в ядре Земли: структура материала сохраняется даже при сжатии до 2 трлн паскалей.
Исследование предполагает, что камень является метастабильным при высоких давлениях: он сохраняет свою структуру, несмотря на то, что в таких условиях ожидается доминирование других, более стабильных структур. Изучение причуд алмаза при экстремальном давлении может помочь выявить внутреннюю работу богатых углеродом экзопланет.
Богатые углеродом планеты могут состоять из алмазов
За пределами нашей Солнечной системы может существовать множество планет, состоящих из алмазов. Так считают ученые из Университета штата Аризона и Чикагского университета.
Они выдвинули предположение, что богатые углеродом экзопланеты могут состоять из алмазов и двуокиси кремния. На Земле диоксид кремния встречается в основном в виде песка и кварца.
Звезды и планеты образуются из газовых облаков и космической пыли. И именно состав газов определяет то, как выглядит та или иная звезда и планета.
Планета с низким отношением углерода к кислороду, как Земля, будет состоять из силикатов (солей и сложных эфиров) и оксидов и будет содержать мало алмазов. Доля алмазов на Земле составляет всего 0,001% от ее состава.
В отличие от нашего Солнца, у других звезд может быть более высокое соотношение углерода и кислорода. И в сочетании с водой в этой среде могут образовываться планеты, богатые углеродом.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследовательская группа провела эксперимент, сымитировав химическое зарождение этих углеродистых экзопланет с помощью высоких температур и давления. Результаты работы в лаборатории показали, что при высокой температуре и давлении карбид кремния вступал в реакцию с водой и превращался в алмазы и кремнезем.
Что мы знаем об углеродных планетах?
Углеродная планета — теоретическая разновидность экзопланет земного типа, которая была предсказана американским астрофизиком Марком Кюхнером.
Условием для формирования планет такого типа является большое содержание углерода в протопланетном диске и малое содержание кислорода. По химическому свойству такая планета будет довольно сильно отличаться от планет земного типа, таких как Земля, Марс и Венера, которые построены преимущественно на базе кремния и кислорода, и углерода в их составе содержится не так много.
Планета, предположительно, будет иметь железосодержащее ядро, подобно другим планетам земной группы. Основу поверхности будут составлять преимущественно карбиды кремния и титана, а также чистый углерод.
Также возможно наличие областей, сплошь покрытых километрами алмазов. Атмосфера будет состоять из углеводородов и диоксида углерода. Жизнь на планете этого класса потенциально возможна, если на планете есть вода, однако формы жизни будут резко отличаться от земной в связи с малым количеством кислорода, которого будет недостаточно для формирования органических веществ земного типа.
Пульсар PSR 1257+12, возможно, имеет углеродные планеты, которые сформировались после взрыва сверхновой из углеродного слоя бывшей звезды. Планеты этого типа могут находиться возле галактического ядра, где звезды содержат много углерода.
Диаметр и масса углеродных планет не отличаются от обычных планет, содержащих преимущественно воду и соединения кремния, поэтому разделить их пока в случае обнаружения не представляется возможным.
В 2014 году астрономы из Йельского университета под руководством Джона Мориарти (John Moriarty) разработали модель, позволяющую оценивать состав экзопланет, основанную на изменениях с годами в составе газообразных дисков, в которых формируются планеты.
Согласно их выводам, в дисках, где соотношение углерода и кислорода превышает 0,8, богатые углеродом планеты могут образовываться дальше от центра диска. Кроме того, ученые считают, что углеродные планеты могут формироваться в дисках, где соотношение углерода и кислорода достаточно низкое (0,65), но в этом случае такие планеты образуются близко к своей звезде.
Соответственно, богатые углеродом планеты могут оказаться гораздо более распространенным явлением, чем считалось ранее.
Художественное изображение углеродной планеты. Цвет планеты тёмный и красноватый вследствие наличия углеводородов.
Источник: роботы с сайта hightech.fm
