Специалисты из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) осуществили первую успешную попытку измерения прочности железа в условиях, имитирующих внутреннее ядро нашей планеты. Для проведения исследования была задействована самая мощная лазерная установка на Земле – National Ignition Facility (NIF), которая позволила воссоздать экстремальные глубинные условия без необходимости сложного бурения.

Железный компонент является доминирующим в структуре ядра Земли и других схожих планет, однако его свойства при колоссальном давлении и температуре внутреннего ядра остаются предметом дискуссий среди ученых. Новые результаты предоставили информацию о том, как железо противостоит деформации и текучести под воздействием экстремальных условий, характерных для центра планеты.

До этого момента подобные измерения представлялись крайне сложной задачей: ни один из существующих лабораторных методов не позволял одновременно достичь требуемого уровня давления и температуры, поддерживать его достаточно долго для анализа поведения материала и проводить непосредственные замеры в процессе эксперимента. Установка NIF предоставила возможность решить эту проблему.

В рамках подготовки к эксперименту исследователи провели комплексный анализ с целью определения оптимальной конструкции мишени и параметров лазерного излучения. Задача физиков заключалась в создании давления, приблизительно равного 3 миллионам атмосфер, и температуры около 5000 градусов Цельсия, избегая при этом слишком быстрого нагрева железа до точки плавления. Детальное описание этих расчетов было представлено ранее, в научной публикации за 2022 год.

В рамках исследования исследователи применяли лазерное воздействие, основанное на механизме неустойчивости Рэлея — Тейлора. Этот процесс характеризуется ускорением менее плотного вещества относительно более плотного слоя и последующим формированием возмущений у их границы.

MEDIASNIPER

В результате воздействия лазерного излучения на квадратную мишень с габаритами 5,35 мм, включающую в себя несколько слоёв различных веществ, на поверхности железной пластины появились характерные отметины. Анализ изменения формы этих отметин позволил исследователям сделать выводы о степени деформации материала. Для получения изображений мишени в различные моменты проведения эксперимента использовалось высокоэнергетическое рентгеновское излучение, генерируемое дополнительными лазерными пучками. Одновременно оптическая система VISAR фиксировала скорость перемещения задней грани образца, что дало возможность вычислить величину достигнутого давления.

По завершении опытов специалисты прибегли к двум видам вычислительного моделирования. Гидродинамические вычисления предоставили общее представление о происходящих изменениях, в то время как молекулярно-динамическое моделирование дало возможность проанализировать взаимодействие материала на уровне отдельных атомов. Сравнение результатов расчетов с полученными экспериментальными данными позволило установить величину предела прочности железа при тех условиях, которые характерны для внутреннего ядра нашей планеты.

В ходе работы был зафиксирован неожиданный результат: под воздействием высокого давления в железе происходит изменение фазового состояния – перегруппировка атомов. Это приводит к дополнительному измельчению внутренней структуры материала и ее фрагментации на более мелкие частицы. Данные изменения оказывают влияние на реологические свойства вещества, определяющие его способность деформироваться и перемещаться под воздействием внешних факторов.

В ходе исследования было установлено, что высокобарический полиморф железа ε-Fe, полученный из исходного монокристалла α-Fe с заданным расположением атомов в пространстве, демонстрирует большую устойчивость по сравнению с образцом другой кристаллической структуры. Такой эффект не наблюдается при обычных условиях на поверхности нашей планеты. Компьютерное моделирование, выполненное с использованием масштабных расчетов, подтвердило полученные данные и выявило, что разница обусловлена особенностями фазового перехода и последующей деформацией.

Как отметил физик LLNL Ён Чжэ Ким (Yong-Jae Kim), знание прочности железа и зависимость его характеристик от микроструктуры имеет решающее значение для изучения сейсмической анизотропии внутреннего ядра – различий в скорости распространения сейсмических волн внутри планеты. Эти явления связаны с динамикой ядра Земли и этапами формирования ее магнитного поля.

В дальнейшем ученые намерены исследовать область, где происходит граница между внутренним и внешним ядром нашей планеты. Полученные результаты расширяют потенциал экспериментов на установке NIF для изучения свойств веществ при экстремальных значениях давления и температуры, характерных для глубин планет.