Лазерная установка NIF позволила создать условия и проверить поведение железа при экстремальных параметрах
Учёные из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) впервые измерили динамическую прочность железа при давлении и температуре, которые соответствуют условиям внутреннего ядра нашей планеты. Для достижения этих целей исследователи задействовали National Ignition Facility (NIF) — мощнейшую лазерную установку в мире, позволившую воссоздать экстремальную среду глубин Земли без необходимости бурения сверхглубоких скважин.
Железо является ключевым элементом, составляющим основу ядра Земли и других каменистых планет. Несмотря на его важность, механизмы поведения этого металла при колоссальном давлении и высоких температурах остаются малоизученными. Эксперимент позволил ученым увидеть, как именно железо сопротивляется деформации и пластическому течению в условиях, максимально приближенных к земному ядру.
Ранее проведение подобных измерений было технологически невозможным: ни один метод не позволял одновременно поддерживать стабильные экстремальные параметры, сохранять их в течение времени, необходимого для наблюдений, и фиксировать реакцию материала непосредственно в ходе процесса. Возможности NIF решили эту проблему.
На подготовительном этапе физики выполнили серию расчетов для проектирования мишени и настройки лазерного импульса. Целью было достичь давления около 3 млн атмосфер и температуры порядка 5000 °C, избежав при этом быстрого расплавления железа. Основа этой методики была описана исследователями еще в 2022 году.
В ходе эксперимента было использовано воздействие, основанное на неустойчивости Рэлея — Тейлора. Этот физический процесс проявляется, когда менее плотный материал ускоряет более плотный, вызывая рост возмущений на границе их соприкосновения.
Лазерный импульс направлялся на квадратную мишень с размером стороны 5,35 мм, состоящую из многослойной структуры. На поверхность железа были нанесены специальные засечки, по деформации которых ученые судили об изменении свойств материала. Высокоэнергетическое рентгеновское излучение, созданное дополнительными лазерами, позволило получить «снимки» мишени в динамике, а оптическая система VISAR в реальном времени измеряла скорость движения задней поверхности образца, позволяя точно рассчитать давление.
Результаты моделирования и фазовые переходы
Данные эксперимента были сопоставлены с двумя типами компьютерного моделирования. Гидродинамические расчеты дали общую картину процессов, а молекулярно-динамические — позволили отследить поведение материала на уровне отдельных атомов. Исследование выявило неожиданный эффект: при достижении критического давления железо претерпевает фазовый переход, перестраивая кристаллическую решетку, что приводит к дроблению структуры на более мелкие зерна. Этот процесс напрямую влияет на реологические свойства материала.
Команда выяснила, что высокобарическая фаза железа (ε-Fe), образованная из исходного монокристалла (α-Fe) с определенной ориентацией, обладает повышенной прочностью по сравнению с другими конфигурациями. Подобное поведение существенно отличается от характеристик железа в обычных условиях на поверхности планеты.
Физик LLNL Ён Чжэ Ким (Yong-Jae Kim) отметил, что полученные данные критически важны для понимания сейсмической анизотропии внутреннего ядра Земли — различий в скорости прохождения сейсмических волн. Эти знания напрямую связаны с динамикой ядра и механизмом формирования магнитного поля планеты. В будущем ученые планируют продолжить эксперименты на NIF, чтобы изучить переходную область между внутренним и внешним ядром Земли.
