Учёные воспроизвели давление в 3 миллиона атмосфер и температуру 5000 °C, чтобы изучить прочность железа в условиях ядра Земли

Учёные из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) и впервые измерили динамическую прочность железа при температурах и давлениях, соответствующих условиям внутреннего ядра Земли. Для эксперимента они использовали крупнейшую в мире лазерную систему National Ignition Facility (NIF), которая смогла на короткое время воспроизвести параметры глубин планеты без бурения на тысячи километров.

Железо является основным компонентом ядра Земли и других каменистых планет, однако его поведение при давлениях и температурах внутреннего ядра остаётся недостаточно изученным. Полученные данные позволили определить, как железо сопротивляется деформации и течению в условиях, близких к центру планеты.

Ранее такие измерения были практически недоступны: ни один лабораторный метод не позволял одновременно создать необходимые давление и температуру, выдержать условия достаточно долго для изучения движения материала и при этом проводить измерения непосредственно во время эксперимента. Возможности NIF позволили преодолеть это ограничение.

Перед экспериментами команда провела серию расчётов, чтобы подобрать конструкцию мишени и параметры лазерного импульса. Физики должны были достичь давления около 3 млн атмосфер и температуры примерно 5000 °C, но при этом не нагреть железо настолько быстро, чтобы оно расплавилось. Подготовка этих расчётов была описана в отдельной работе 2022 года.

В ходе эксперимента учёные использовали лазерное воздействие на основе неустойчивости Рэлея — Тейлора — процесса, который возникает, когда лёгкий материал ускоряет более плотный и вызывает рост возмущений на границе между ними.

Лазерный импульс воздействовал на квадратную мишень размером 5,35 мм, состоящую из нескольких слоёв разных материалов. На поверхности железа были нанесены засечки определённой формы, по изменению которых учёные могли оценить деформацию материала. Дополнительные лазерные лучи создали высокоэнергетическое рентгеновское излучение, с помощью которого исследователи получили изображения мишени в разные моменты эксперимента. Одновременно оптическая система VISAR измеряла скорость движения задней поверхности образца, что позволило определить достигнутое давление.

После экспериментов команда использовала компьютерное моделирование двух типов. Гидродинамические расчёты показали общую картину происходящих процессов, а молекулярно-динамические модели позволили изучить реакцию материала на уровне отдельных атомов. Сопоставление расчётов с экспериментальными данными позволило определить прочность железа при условиях, близких к внутреннему ядру Земли.

Учёные также обнаружили неожиданный эффект: при высоком давлении железо проходит фазовый переход — перестройку расположения атомов, — из-за 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 установила, 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 важно 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 дальнейшем команда планирует изучать 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 глубин планет.