Новосибирские ученые будут производить сверхпрочные наноалмазы

Ученые собираются получить сверхтвердые алмазы, моделируя подземное давление и температуру.

Науки, фундаментальней геологии, на свете просто нет. В конце концов, она изучает землю, твердь, на которой мы стоим! А если серьезно, то,чтобы ответить на судьбоносный для каждого вопрос - что будет завтра? – нужно сперва ответить на другой: как работает чудо-фабрика под названием Земля? Сделать очередной шаг к разгадке этих тайн собираются новосибирские ученые. А заодно, они преследуют и чисто практическую цель…

Крепче алмаза

Геохимик Константин Литасов более 10 лет работал в Японии, правда, с перерывами. В Новосибирск окончательно вернулся год назад. И почти сразу удалось получить мегагрант Министерства образования и науки РФ – на исследование вещества при высоких давлениях и температурах. Но с одним условием – работать команда из Института геологии и минералогии имени В.С. Соболева СО РАН будет вместе с Университетом Тохоку в Японии.

- Я долго работал с профессором Эйджи Отани из Японии, и заниматься мегагрантом мы тоже будем вместе. Собственно говоря, грант получил он, а я лишь буду сотрудничать с ним с российской стороны, - объясняет старший научный сотрудник ИГМ СО РАН доктор геолого-минералогических наук Константин Литасов. – Мегагрант рассчитан на три года, но может быть продлен еще на два года. Мы собираемся создать новую целевую лабораторию в институте, руководителем которой будет японский профессор, и купить многопуансонный пресс – оборудование для России уникальное. Его, кстати, мы тоже заказали в Японии, думаю, привезем его в СО РАН уже в мае следующего года.

Многопуансонный пресс – оборудование для России уникальное, заказывать его пришлось в Японии.

Внешне этот пресс мало чем отличается от обычного, используемого в промышленности. Только задача у него совсем другая.

- В рамках мегагранта мы преследуем две основных цели. Первая, чисто практическая – создание нанокристаллических сверхтвердых алмазов, которые могут использоваться в технологических целях.

Чтобы понять, как пресс поможет изготовить алмаз, нужно просто представить себе то, что происходит глубоко под землей. На секунду вообразите, что вы живете на глубине 800 километров под толщей земли. Именно в таких условиях вынуждены существовать различные минералы – под давлением примерно 30 гигапаскалей. Эту мощь ученые и собираются имитировать при помощи многопуансонного пресса. Давление и нагрев – вот две силы, которые способны превратить привычный минерал в нечто принципиально новое…

- Наша цель – смоделировать поведение вещества в его естественных условиях, под землей, - объясняет Константин Литасов. – Синтезировать материалы с определенными свойствами. С одной стороны, ничего нового здесь нет – к примеру, алмазы ученые синтезируют уже давно, и технические и ювелирные. Однако, новая техника позволит изготавливать материалы с несколько иной структурой, гораздо тверже алмаза.

Тут будет уместно вспомнить попигайские алмазы – загадочное сверхтвердое вещество, обнаруженное в кратере на границе Якутии и Красноярского края. Еще 35 миллионов лет назад в Землю врезался огромный метеорит. И – о чудо! – под воздействием чудовищного давления и огромных температур, за считанные секунды, содержащийся в земле графит преобразовался в сложную кристаллическую структуру, обладающую повышенной твердостью. По словам ученых, нечто подобное они собираются делать и на своем прессе – сверхтвердые нанокристаллические материалы.

- Обычный природный алмаз – это монокристалл. Однако, при определенном воздействии, образуются другие структуры, включающие в себя огромное количество нанокристаллов, размером всего 10 нанометров. Впрочем, в состав этой структуры входит не только алмаз, но и другие фазы углерода. Сверхтвердость как-то связана с интервалом наноуровня где резко меняются физико-химические свойства вещества. Ирония состоит в том, что мы до сих пор точно не знаем как. Мы знаем, как изготавливать такие структуры, но изучить их свойства еще только предстоит.

Что, впрочем, не помешает использовать их твердость на практике – например, на острие буровых установок.

Хаос под ногами

Вторая задача, которую ставят себе геологи – чисто теоретическая. Но это не означает, что полученные ими знания никогда не выйдут за рамки чисто фундаментальной науки. Речь идет об изучении минералов, «обитающих» на больших глубинах. И тут будет уместно задаться простым, на первый взгляд, вопросом – а что мы вообще знаем о том, что происходит там, под толщей земли?

На самом деле, еще ни одна буровая установка не добралась до по-настоящему больших глубин. Тем не менее, мы откуда-то знаем, что в центре земли находится жидкое металлическое ядро с твердым сердечником, выше, от 2900 до 100 километров – огромный слой нагретой и пластичной силикатной породы, который называется - мантия, а уже потом жесткая литосфера и земная кора.

- Откуда это стало известно? У ученых было три главных источника информации. Первый – это вулканы. Они ведь извергают не только огонь и пепел. Время от времени, в магме возникает сильное напряжение, которое и выталкивает ее вверх. Все происходит за считанные часы – давление и избыточные газы поднимают магму с глубины 150-200 километров и выплескивают ее на поверхность земли вместе с фрагментами глубинного вещества.

На самом деле, если бы вулканические извержения длились немного дольше, то в этом раскаленном аду не «выжили» бы даже алмазы – переплавились бы обратно в графит, из которого появились. Как бы там ни было, этот процесс дает нам понять, что земная глубь отнюдь не так постоянна, как кажется на первый взгляд. Наравне с двумя другими источниками информации – сейсмическим и космическим.

- Понять строение толщи Земли помогают землетрясения: мы можем проследить движение звуковых волн. В некоторых точках под землей происходят так называемые сейсмические скачки – это значит, что там происходит структурный переход или фазовый – где жидкое вещество встречается с твердым, - объясняет ученый.

Кроме того, обширные данные получены благодаря метеоритам. Прелесть космических камней состоит в том, что они, на протяжении миллиардов лет, курсируют в безжизненном пространстве, сохраняя на своей поверхности минералы именно в том виде, в каком они появились в глубокой древности. Когда-то ведь и наша планета была безжизненным раскаленным космическим телом, с похожим минеральным составом.

Константин Литасов уверен в том, что в рамках мегагранта удастся ответить на некоторые фундаментальные вопросы геологии.

Земля… жидкая?

Но одно дело – держать в руках минералы в их конечном виде. И совсем другое – знать, как они ведут себя под землей. Что с ними происходит, что определяет движение толщ земли? Самые большие надежды геологи возлагают на углерод и водород.

- Обычно их концентрация под землей очень мала – всего лишь одна сотая процента. Но когда в какой-то точке внутри планеты происходит разогрев, они начинают играть ведущую роль.

При нагреве молекулы углерода и водорода устремляются на тепло. И очень быстро их концентрация достигает уже 20 процентов! А поскольку вещества эти горючие, они начинают плавить все вокруг и наводят настоящий хаос – обычно, кончается все извержением вулкана. Как именно происходит этот процесс, и собираются узнать новосибирские ученые. А это, в свою очередь, позволит понять, как живет планета в целом.

- Планета Земля – это огромный организм, который живет по своему распорядку. Вы знали, к примеру, что продукты извержения вулканов возвращаются обратно под землю? Например, тихоокеанская плита заходит вглубь Земли прямо под Японией и уносит вещества вулканического происхождения обратно в мантию. Это своего рода круговорот.

Вместе с новосибирскими учеными будет работать профессор Университета Тохоку в Японии – Эйджи Отани.

Есть еще один любопытный факт – при внимательном изучении, ученые поняли, что земная твердь не такая твердая, какой кажется. Если смотреть в масштабах миллионов лет, станет понятно, что она ведет себя… как жидкость! Под длительным воздействием сил гравитации и тепла, вещества «сплавляются» друг с другом, образуя новые структуры. Точно также вещество ведет себя и глубокой под землей. Там нет четких границ, это большой горячий котел, который… когда-нибудь остынет.

- Когда-то Земля была полностью горячей, теперь ее поверхность несколько остыла, но она продолжает отдавать нам тепло, - вносит ясность Константин Литасов. – Поэтому мы можем прогнозировать, что когда-нибудь земное ядро остынет полностью. Равно как и Солнце. Но когда это произойдет? Пока мы не можем ответить на эти вопросы.

Как и на другой – почему у нашей планеты время от времени меняются магнитные полюса. По мнению Константина Литасова, это незакономерный процесс, связанный с изменением течений в жидком ядре Земли. В результате образования мощных диапиров (восходящих потоков вещества) на границе ядро-мантия происходит сброс энергии и расстановка сил в ядре меняется. Магнитное поле сдвигается, что и приводит к подвижкам полюсов. Вопрос это крайне важный, достаточно только представить что будет, если однажды полюса сдвинутся слишком сильно – жизнь на планете Земля уже не будет прежней, а может, ей и вовсе придет конец…

Конечно, новосибирские ученые не готовы ответить на столь глобальные вопросы в рамках одного мегагранта. Однако, полученные результаты, наверняка, помогут лучше понять, как наша планета живет внутри себя самой.

Дело за малым

На эти исследования новосибирские ученые получат 90 миллионов рублей. По словам Константина Литасова, деньги не такие уж большие. К примеру, такое стандартное оборудование, как микрозонд для определения состава минералов, стоит около полутора миллиона долларов. Поэтому, ученым придется работать в режиме строжайшей экономии.

- Как минимум, мы хотели бы, чтобы нас освободили от уплаты НДС за покупку многопуансонного пресса в Японии, - говорит Константин Дмитриевич. – Дело в том, что по законодательству уникальное научное оборудование должно освобождаться от налога . При условии, что это оборудование внесено в соответствующий реестр. Нашего пресса там нет, но, по факту, он конечно будет уникальным – единственным в России. Увы, пока мы не знаем как наладить диалог с Правительством РФ, чтобы нас освободили от налога или произвели его вычет. А это бы очень помогло – например, для приобретения дополнительного оборудования…

Как бы там ни было, работа будет идти своим ходом. Константин Литасов не сомневается в том, что ему и его команде удастся обогатить представления людей о строении Земли. Первые результаты этой работы станут известны уже в ближайшие годы.

Геологи примерно знают, что происходит в толще Земли. Но почему это происходит – пока вопрос.

ПОДПИШИСЬ НА НОВОСТИ НОВОСИБИРСКА!