Добавь сайт в закладки! Инструкция по ссылке.
Лазерная установка NIF создала условия и исследовала поведение железа при экстремальных параметрах
Наука и космос211:16
Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) впервые оценили динамическую прочность железа при температурах и давлениях, аналогичных условиям внутреннего ядра Земли. Для этого эксперимента они использовали крупнейшую в мире лазерную систему National Ignition Facility (NIF), которая смогла на короткий период воспроизвести параметры недр планеты без необходимости бурения на тысячи километров.
Железо является ключевым компонентом ядра Земли и других каменистых планет, однако его поведение при давлениях и температурах, характерных для внутреннего ядра, остается недостаточно исследованным. Полученные данные помогли выяснить, как железо сопротивляется деформации и течению в условиях, близких к центру планеты.
Ранее подобные измерения были практически невозможны: ни одна лабораторная методика не могла одновременно создать необходимые давление и температуру, поддерживать эти условия достаточно долго для анализа движения материала и осуществлять измерения непосредственно в ходе эксперимента. Возможности NIF позволили преодолеть это ограничение.
Перед проведением экспериментов команда выполнила серию расчетов для выбора конструкции мишени и параметров лазерного импульса. Физики стремились достичь давления примерно 3 миллиона атмосфер и температуры около 5000 °C, но при этом не нагреть железо настолько быстро, чтобы оно расплавилось. Подготовка этих расчетов была освещена в отдельной работе 2022 года.
В ходе эксперимента ученые использовали лазерное воздействие на основе неустойчивости Рэлея — Тейлора — процесса, который возникает, когда легкий материал ускоряет более плотный и вызывает рост возмущений на границе между ними.
Лазерный импульс воздействовал на квадратную цель размером 5,35 мм, состоящую из нескольких слоев различных материалов. На поверхности железа были нанесены определенные засечки, по изменению которых ученые могли оценить деформацию материала. Дополнительные лазерные лучи создавали высокоэнергетическое рентгеновское излучение, с помощью которого исследователи получили изображения мишени в разные моменты эксперимента. Одновременно оптическая система VISAR фиксировала скорость движения задней поверхности образца, что позволило определить достигнутое давление.
После завершения экспериментов команда применила компьютерное моделирование двух типов. Гидродинамические расчёты продемонстрировали общую картину происходящих процессов, а молекулярно-динамические модели позволили исследовать реакцию материала на уровне отдельных атомов. Сопоставление расчетов с экспериментальными данными дало возможность определить прочность железа в условиях, аналогичных внутреннему ядру Земли.
Учёные также обнаружили неожиданный эффект: при высоком давлении железо проходит фазовый переход — перестройку расположения атомов, — в результате чего его внутренняя структура дополнительно дробится на более мелкие зёрна. Эти изменения влияют на реологию материала, то есть на его способность деформироваться и течь под действием внешних сил.
Команда выяснила, что высокобарическая фаза железа ε-Fe, полученная из исходного монокристалла α-Fe с определённой ориентацией атомной структуры, обладает большей прочностью, чем вариант с другой ориентацией. Это отличается от поведения железа при обычных условиях на поверхности Земли. Компьютерное моделирование на больших масштабах подтвердило тот же результат и показало, что различие связано с особенностями фазового перехода и последующей деформации материала.
По словам физика LLNL Ён Чжэ Кима (Yong-Jae Kim), понимание прочности железа и зависимости его свойств от микроструктуры имеет важное значение для изучения сейсмической анизотропии внутреннего ядра — различий в распространении сейсмических волн через ядро. Эти процессы связаны с динамикой ядра и историей формирования магнитного поля Земли.
В будущем команда намерена исследовать область перехода между внутренним и внешним ядром Земли. Полученные результаты расширяют возможности экспериментов на NIF для изучения поведения материалов при экстремальных давлениях и температурах, близких к условиям глубоких слоев планет.
Darth SaharaИсточники:Nature CommunicationsНаука и космос2Физика высоких энергийМагнитное поле ЗемлиФизика материаловМолекулярная динамикаЯдро ЗемлиЭкстремальные давления11:16
ИсточникПоделись видео: