Группа ученых НИТУ «МИСиС» теоретически обосновала результаты уникального эксперимента по сжатию металлического осмия под экстремальным давлением.
Группа ученых НИТУ «МИСиС» теоретически обосновала результаты уникального эксперимента по сжатию металлического осмия под экстремальным давлением. Полученные результаты позволят создать сверхпроводники нового поколения и понять, как устроены звезды. Большая статья о проведенном исследовании была опубликована в одном из самых авторитетных научных журналов мира — Nature.
Научная группа лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС» под руководством приглашенного профессора Игоря Абрикосова (Линчёпингский университет, Швеция) с помощью квантовомеханического моделирования, проведенного с использованием вычислительных мощностей суперкомпьютера университета, теоретически обосновала результаты уникального эксперимента по сжатию металлического осмия под экстремальным давлением в 7,7 миллионов атмосфер, проведенного учеными Байройтского университета (Германия).
Целью эксперимента немецких коллег было изучение изменений кристаллической структуры вещества под воздействием сверхвысокого давления. В качестве опытного материала был выбран металлический осмий, обладающий уникальными свойствами: наивысшей плотностью при нормальном давлении, одной из самых высоких энергий связи и температурой плавления, а также очень низкой сжимаемостью, почти как у алмаза. В ходе эксперимента был поставлен мировой научный рекорд — экстремальное давление при статическом сжатии достигло 7,7 миллионов атмосфер. Предыдущее максимально достижимое давление составляло около 4 миллиона атмосфер (400 ГПа).
В проекте было задействовано самое современное научное оборудование: установка для создания сверхвысоких давлений, разработанной в Байройтском университете (Германия), синхротроны APS (США), ESRF (Франция), и PETRA III (Германия), а также суперкомпьютеры из Швеции и Франции.
Рекордное значение давления было достигнуто за счёт применение микро-полусфер из наноалмаза, которые являются дополнительной ступенью по сравнению с традиционной методикой алмазных наковален. Это усовершенствование позволяет существенно расширить диапазон давлений в экспериментах по статическому сжатию и достигнуть давления выше 750 ГПа (вдвое выше давления в центре Земли).
В результате проведенного исследования была выявлена беспрецедентная структурная стабильность осмия — при огромных давлениях около 770 ГПа он обладает такой же структурой, что и при атмосферном давлении. В то же время, очень точные измерения методом рентгеновской дифракции показали, что в поведении параметра решётки под давлением проявляются особенности, не описанные в теории.
Теоретическое обоснование и описание этих особенностей и стало целью исследования научной группы НИТУ «МИСиС». С помощью современных квантовомеханических расчётов ученые доказали, что при сверхвысоком давлении в осмии начинается взаимодействие между внутренними электронами, тогда как обычно свойства материалов под давлением меняются из-за изменения валентных (внешних) электронов. Можно с уверенностью утверждать, что возможность влиять на внутренние электроны даже в таком несжимаемом металле, как осмий, с использованием статического давления открывает многообещающие перспективы поиска новых состояний вещества.
«Для теоретического моделирования результатов этого эксперимента был использован суперкомпьютер лаборатории „Моделирование и разработка новых материалов“ НИТУ „МИСиС“, который входит в топ-50 суперкомпьютеров стран СНГ. Пиковая производительность кластера составляет 33 терафлопс или 33 триллиона операций в секунду, что обеспечивает значительное ускорение обработки информации, а соответственно ускорение разработки и вывода на рынок новых материалов с заданными свойствами», — пояснила ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова.
Исследования поведения различных материалов при экстремальных сжатиях очень важны как для фундаментальной физики, так и для промышленности. Понимание физики и химии веществ под высоким давлением помогает моделировать процессы, происходящие внутри гигантских планет и звезд, а также синтезировать материалы, применяющиеся в экстремальных условиях.
Как отметил руководитель научной группы НИТУ «МИСиС» Игорь Абрикосов, «в данной работе мы продемонстрировали, что можно достигать невообразимо высоких давлений и при этом полностью контролировать состояние исследуемого материала, улавливая в эксперименте малейшие его изменения. Мы показали возможности современной теории при помощи компьютерного моделирования разгадывать сложнейшие загадки, которые возникают в подобных уникальных экспериментах. Разработанные экспериментальные и теоретические методики, использованные в данной работе, будут использованы нами в новых исследованиях. Они выведут нас на качественно новое понимание поведения материалов и позволят реализовать важнейшую задачу — перейти от традиционного метода проб и ошибок к научно-обоснованной разработке новых материалов, сократив сроки этих разработок с сегодняшних
Ссылка на публикацию в Nature
